Download - TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Transcript
Page 1: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Modul#2 Modul#2 TTG3D3 TTG3D3 AntenaAntena dandan PropagasiPropagasi

Konsep Dasar Antena Konsep Dasar Antena

Oleh :Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT

1Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Modul 2 Konsep Dasar Antena

• Konsep Antena sbg Sumber Titik

• Teorema Resiprositas Carson

• Teorema daya dan intensitas radio

• Karakteristik antena pemancar

• Konsep Apertur Antena• Konsep Apertur Antena

• Rumus transmisi Friis

• Polarisasi

• Temperatur antena

• Kesimpulan modul 2

PendahuluanPendahuluan

-Definisi antena -Definisi antena

-Konsep antena sbg sumber titik

-Teorema resiprositas Carson

3Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

DefinisiDefinisi AntenaAntena

Webster ‘s dictionary: “a usually metallic device (as rod

or wire) for radiating or receiving radio waves”

IEEE Std 145-1983: “a means for radiating or receiving

radio waves”

Antena = Alat pelepas dan penerima gelombang

energi elektromagnetik

4

energi elektromagnetik

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Page 2: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Konsep Antena sbg Sumber Titik

1. Konsep sumber titik: untuk analisis daya terima pada medan jauh(tempat yang jauh)

2. Antena dianggap sebagai sumber titik karena dimensi antena <<jarak antena pengirim dengan titik observasi di medan jauh

Syarat antena sebagai sumber titik

Medan jauh transversal (Medan

z

Medan jauh transversal (Medan

magnet ⊥ medan magnet)

Rapat daya P (arus daya) yang

menembus bidang bola observasi

mengarah radial keluar semuanya

Dengan ekstrapolasi, semua rapat

daya berasal dari volume yang

sangat kecil atau titik O, tidak

bergantung pada dimensi fisik

antena

y

x

O

r sin θ.dφ

r.dθ

dS = r 2 sin θ.dθ.dφ

rP

5 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

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>>λ, R>>d, dan R>>b

MO b

R

(a) sumber titik berimpit

Antena m em enuhi volum edengan jari-jari b

Pengukuran,

M

O b

R

d

(a) sumber titik berimpit dengan pusat bola M

(b) sumber titik berjarak terhadap pusat bola M

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.

6 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

TeoremaTeorema DayaDaya dandan

IntensitasIntensitas RadioRadio

7Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Teorema Daya dan Intensitas Radio

z

y

O

r.dθ

rP

Konsep Daya Antena

Isotropis

• Antena isotropis hanya ada secara hipothetical (teoritis)

• Pada dasarnya semua antena tidak ada yang

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA8

x

O

r sin θ.dφ

dS = r 2 sin θ.dθ.dφ

• Antena, sumber dianggap titik dan ditempatkan di O

• rP

radial keluar pada setiap titik bola

• dSPr⊥ atau Sd//Pr

antena tidak ada yang memiliki pancaran sama kesegala arah (unisotropic)

Asumsi dasar

Page 3: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Jika medium antar antena (bola): tidak meredam, tidak menyerap

daya, berdasarkan hukum kekekalan energi, maka :

Daya yang dipancarkan sumber = Daya total yang menembus bola

z

Teorema Daya dan Intensitas Radio…

Wr

S

P d S∫ i

∫ ∫∫π π

==0

2

0

r

S

r dS.PSd.PW

dimana,Pr = rapat daya pada boladS = elemen luas = r2.sinθ.dθ.dφW = daya yang dipancarkan antena

z

y

x

O

r sin θ.dφ

r.dθ

dS = r 2 sin θ.dθ.dφ

rP

9 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

r

0

2

0

22

r

S

ri P.r4d.d.sin.r.PSd.PW ∫ ∫∫π π

π=φθθ==

Sehingga,

Teorema Daya dan Intensitas Radio…

Jika O sumber isotropis, maka Pr (rapat daya) akan konstan

untuk r konstan

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA10

0 0S

Maka,

24r

WP

rπ=

rapat daya berbanding terbalik dengan r2

Definisi: Intensitas Radiasi = daya per satuan sudut ruang

π==

4Wr.PU 2

r

Intensitas Radiasi

∫ ∫∫π π

==0

2

0

r

S

r dS.PSd.PW

1 rad2 = 57,3o x 57,3o = 3283,3 deg2

4ππππrad2 = 4ππππ x 57,3o x 57,3o = 41253 deg2

∫ ∫∫ ∫π ππ π

Ω=φθθ=0

2

00

2

0

d.Ud.d.sin.UW

dimana, dΩ = sinθ.dθ.dφ

24r

WP

rπ=

0 0S

11 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

2 2

0 0 0 0

. sin . . .i

W U d d U d

π π π π

θ θ ϕ= = Ω∫ ∫ ∫ ∫

Daya yang dipancarkan antena isotropik (sumber titik):

Dari ekspresi diatas, dapat disimpulkan bahwa…

Intensitas Radiasi …

2

2

0 0

. . .sin . .i r r

S

W P dS P r d d

π π

θ θ ϕ= =∫ ∫ ∫

Dari tinjauan Intensitas Radiasi Dari tinjauan Rapat Daya

Daya yang dipancarkan antena isotropik (sumber titik):

= integrasi intensitas radiasi untuk seluruh sudut ruang 4π

= integrasi rapat daya utk seluruh luas kulit bola

Untuk ISOTROPIS : W = 4ππππ.Uo [ Uo dalam Watt / radian2 ]

: W = 41253.Uo [ Uo dalam Watt / deg2 ]Antena Sembarang : Uo = U rata2 ( time average )

12 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Page 4: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

KarakteristikKarakteristik AntenaAntena

13Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Membuktikan:Karakteristik antena sebagai pemancar juga berlaku padaantena sebagai penerima.

Asumsi dasar

BIAVAI

(a) (b)

Teorema Resiprositas Carson

Karakteristik antena pemancar = Karakteristik antena penerima

∼ ∼

∼ ∼

BV

AV

VZ

1I

1Z 2Z BI

3Z

IZIZ

AI 1Z 2Z

3Z

2I

BV

Jika, transmisi energi antara antena

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.

14 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

AV ZZ = sebagai syarat, misalkan 0ZZ AV ==

Dari gambar (a) :

)]Z//Z(Z[

VI

321

A1

+=

)ZZZZZZ(

ZV

ZZ

Z.II

133221

3A

21

31B

++=

+=

Dari gambar (b) :

Teorema Carson menyatakan bahwa,

Untuk medium transmisi yang homogen dan isotropis,

“Jika suatu tegangan dipasangkan pada

Bukti Teorema Carson

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Dari gambar (b) :

)]Z//Z(Z[

VI

321

B2

+=

)ZZZZZZ(

ZV

ZZ

Z.II

133221

3B

21

32A

++=

+=

Jadi jika BA VV = , maka BA II =

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 “

!!

15

Karakteristik Antena Pemancar

Karakteristik antena :

1. Diagram arah

2. Diagram fasa

3. Direktifitas

4. Gain

5. Lebar berkas

Dapat dianalisis

secara teoritik

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

antena :⊕

6. Impedansi antena

7. Bandwidth (lebarpita)

8. Temperatur antena

9. Polarisasi antena

Pada

umumnya

diukur

16

Page 5: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Diagram arah menunjukkan karakteristik pancaran antena ke berbagai arah (pattern), pada r konstan, jauh, sebagai fungsi θθθθ dan φφφφ

Menurut besaran

Diagram arah Medan (listrik, magnet)

Diagram arah Daya ( P, U )

Karakteristik #1: Diagram Arah

17

Macam-macam

diagram arah

Menurut skala

Diagram arah Daya ( P, U )

Diagram arah Fasa

Diagram arah absolut (dalam besarannya)

Diagram arah relatif ( terhadap refrensi )

Diagram arah normal (referensi max = 1 = 0 dB)

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Em φ = 0 Um

Eθ U

θ = 0 θ = 0

1

θ = 0

0 dB-3 dB

B

Diagram arah sebenarnya 3 dimensi, tetapi biasa digambarkan sebagai 2 dimensi, yaitu 2 penampangnya saja yang saling tegaklurus berpotongan

pada poros mainlobe

Diagram Arah …

Modul 2

KONSE

P

18

Diagram arah absolutDiagram arah relatif

Diagram arah normal

Main lobe = major lobe, lobe utama ; daerah pancaran terbesar

Side lobe = minor lobe, lobe sisi ; daerah pancaran sampingan

Back lobe = lobe belakang ; daerah pancaran belakang

BEAMWIDTH = Lebar berkas ; Sudut yang dibatasi ½ daya atau 3

dB atau 0,701 medan maksimum pada Mainlobe

FBR = Front to Back Ratio = Main lobe / Back lobe

Berbagai istilah dalam diagram arah

Diagram Arah …

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA19

b. Plot linear pola daya radiasi

Sumber : Balanis, A Constantin,” Antenna Theory, Analysis and Design”,

Harper & Row Publisher, 1982 (halaman 21

a. Lobe-lobe radiasi antena

(pola pancar 3 dimensi)

Seperti juga pada diagram arah, dapat diambil penampang

diagram fasa 3-dimensi , ataupun plot linearnya

Karakteristik #2: Diagram Fasa

Untuk bentuk periodik dengan frekuensi tertentu, medan jauh diketahui selengkapnya jika diketahui :

• Amplitudo Eθ sebagai fungsi dari r, θ, φ

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA20

• Amplitudo Eθ sebagai fungsi dari r, θ, φ• Amplitudo Hφ sebagai fungsi dari r, θ, φ• Beda fasa δ antara Eθ dan Hφ sebagai fungsi dari θ, φ, dengan

r konstan• Beda fasa η antara Eθ dan Hφ terhadap harganya pada titik

referensi, sebagai fungsi dari θ, φ, dengan r konstan

Page 6: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Merepresentasikan ‘pengarahan’ antena, semakin besar

direktivitas dapat diartikan bahwa lebar berkasnya semakin

sempit

Definisi:

rataRataRadiasiIntensitas

MaksimumRadiasiIntensitas

Uo

UmD

−=≡

Karakteristik #3: Direktifitas

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 21

rataRataRadiasiIntensitasUo −

2

2

Eo

Em

Po

Pm

4

4x

Uo

UmD ==

π

π≡ Uo

Diagram arah daya / intensitas

radiasi antena yg ditinjau

Diagram arah daya /

intensitas radiasi antena

isotropis

Penghitungan direktivitas dengan cara eksak

Diketahui, suatu antena memiliki Pers. diagram arah…

U = Um.cos θ ; 0 ≤ θ ≤ π/2 & 0 ≤ φ ≤ 2π

0 ; θ, φ lainnya

∫ ∫π

π

φθθθ=22

d.d.sincos.UmW

Maka,

Contoh …

π

Jika daya yg sama, W dimasukkan ke

antena isotropis…

∫ ∫ φθθθ=0 0

d.d.sincos.UmW

[ ] [ ] ππ

ππ

φθ−=

φθθ−= ∫ ∫

2

02

0

2

2

0

2

0

cos2

Um

d)(cosdcos.UmW

.W Umπ=

22

0 0

0 0

.cos sin . . 4 .W U d d W U

ππ

θ θ θ ϕ π= ⇒ =∫ ∫

04 .W Uπ=

0

4

4

WUm

DWU

π

π

= = = =10log4= 14 dB

22 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Definisi:

samainputdayadenganreferensiantenamaksradiasiintensitas

antenasuatumaksradiasiintensitas

Umr

UmG =≡

K-4Wi Wo G = Wo/Wi

Karakteristik #4: Gain

Macam-macam referensi :

Isotropis, ηeff = 100%

dipole ½ λ horn, dll

UmUmr

D.G effη= ( )G D dBi=

( )...d

G dB=

( )...h

G dB=23 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Kadang-kadang Gain dan Direktivitas dinyatakan untuk arah tertentu / fungsi dari diagram arah.

DUm

U),(D =φθ dan G

Um

U),(G =φθ

G dan D biasanya dinyatakan dalam dB

DdB = 10 log D [dB] dan GdB = 10 log G [dB]

Gain …

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA24

Page 7: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Definisi: • sudut ruang yang mewakili seluruh daya yang dipancarkan,

jika intensitas radiasi = intensitas radiasi maksimum

• Seolah-olah antena memancar hanya dalam sudut ruang B dengan intensitas radiasi uniform sebesar Um

Karakteristik #5: Lebar Berkas (Beamwidth)

W B Um= × 4W Uoπ= ×

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA25

1/2

φ1/2θ1/2

W B Um= ×

( )1 12 2

Beamwidth

W Umθ φ= ×

4W Uoπ= ×

4UmD

Uo B

π= =

Kaitan Direktivitas Dengan Lebar Berkas

Jika fungsi diagram arah intensitas radiasi dinyatakan oleh :

Um = Ua. f(θ,φ)maks

U = Ua.f(θθθθ,φφφφ) dimana Ua adalah konstanta

Intensitas maksimum ….

Intensitas rata-rata dinyatakan oleh :

Ωφθ∫∫

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA26

π

Ωφθ=

π=

∫∫4

d).,(f.Ua

4

WUo

dengan, W = daya yang dipancarkan

dΩ = sinθ.dθ.dφ

maks

maks

),(f

d).,(f

4

d).,(f

),(f.Ua

Uo

UmD

φθ

Ωφθ

π=

Ωφθ

φθ==

∫∫∫∫B

4D

π=

Ωφθ

φθ=

φθ

Ωφθ=

∫∫∫∫d

),(f

),(f

),(f

d).,(fB

maksmaksΩφθ= ∫∫ d.),(fB normal

f(θθθθ,φφφφ)normal = fungsi normal diagram arah

atau

Perhitungan Direktivitas Dengan Cara Pendekatan Lebar Berkas

2 (dua) kasus

A. Fungsi sederhana

• Unidirectional• Direktivitas ≥ 10

2/12/1 .

4

B

4D

φθ

π≈

π=

1/2

φ1/2θ1/2

Beamwidth

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA27

B. Fungsi tidak sederhana

2/12/1 .B φθ

θ1/2 dan φ1/2 adalah beamwidth menurut

2 bidang ⊥ melalui sumbu mainlobe

Selesaikan dengan cara grafis !!

Ωφθ

φθ=

φθ

Ωφθ=

∫∫∫∫d

),(f

),(f

),(f

d).,(fB

maksmaks

danB

4

Uo

UmD

π=≡

Contoh: Menghitung D dengan cara eksak

U = Um.cos6θ ; 0 ≤ θ ≤ π/2 dan 0 ≤ φ ≤ 2π

41θ

11

1maks

maks

),(f

d).,(f

4

d).,(f

),(f.Ua

Uo

UmD

φθ

Ωφθ

π=

Ωφθ

φθ==

∫∫∫∫

21θ

21

21

φ

Dengan cara eksak, didapatkan D = 14,00

B

4

Uo

UmD

π=≡

28 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Page 8: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Contoh: Menghitung D dengan pendekatan lebar berkas

U = Um.cos6θ ; 0 ≤ θ ≤ π/2 dan 0 ≤ φ ≤ 2π

41θ

11

1

½ Um = Um.cos6 θθθθ1/4

o61

4/1 01,272

1cos ==θ −

θ1/2 = 2 x θ1/4 = 54,02o

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA29

21θ

21

21

φ

θ1/2 = 2 x θ1/4 = 54,02

2

2

1/2 1/2

4 4 (57,3 )14,3

. (54,02 )

o

oD

π π

θ ϕ

×= = ≈

Dengan cara eksak, didapatkan D = 14,00

Dari contoh di atas, dapat dilihat bahwa untuk antena unidirectional

dan direktivitas > 10, hasil pendekatan lebar berkas mendekati hasil

perhitungan secara eksak !

Ketelitian hasil perhitungan ditentukan oleh ketelitian mendapatkan lebar berkas ( B )

Jika batas-batas : θ0 ≥ θ ≥ 0 dan φo ≥ φ ≥ 0, maka :

∫ ∫φ θ

φθθφθ

φθ=

o o

d.d.sin),(f

),(fB

dapat diuraikan sebagai berikut :

Cara grafis untuk menghitung Direktifitas

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA30

∫ ∫ φθ0 0 maks),(f dapat diuraikan sebagai berikut :

maks),(f

),(f

φθ

φθ= F1(φ).f1(θ) + F2(φ).f2(θ) + ………..dst

∫ ∫ ∫ ∫φ θ φ θ

+θθθφφ+θθθφφ=0 0 0 0

0 0 0 0

2211 dst......d.sin).(f.d)(Fd.sin).(f.d)(FB

( konvergen )

B = a1b1 + a2b2 + …. dst = ∑π

=⇒i

iiB

4Dba

∫φ

φφ=0

0

ii d).(Fa ∫θ

θθ=0

0

ii d).(fb

dimana

dan

Selanjutnya integrasi gambar,

Cara grafis…

0 φ0 0 θ0

ai

bi)(Fi φ θθ sin)(f i Ketelitian hasil

ditentukan oleh ketelitian penggambaran Fi(φ) dan fi(θ)sinθ, serta perhitungan luasnya (dalam kertas milimeter)

31 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Karakteristik #6: Polarisasi

• Polarisasi gelombang berkaitan dengan orientasi vektor medan listrik yang

dibangkitkan saat pemancaran.

• Jika pemasangan antena Rx tidak sesuai dengan polarisasi gelombang, maka adayang diterima akan lebih kecil ; terjadi “ polarization mismatch “.

• Untuk orientasi yang sesuai, maka penerimaan daya akan maksimu( polarisasi medan = polarisasi antena ).

• Jika polarisasi medan membuat sudut ϕ dengan polarisasi antena, maka dayaterima akan mengalami penurunan yang dinyatakan dengan PLF ( polarization

loss factor )

E dimana,

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA32

Contoh :

untuk,

ϕ = 60o PLF = ¼ WR turun 6 dB

ϕ = 90o PLF = 0 WR = 0

PLF sangat penting untuk komunikasi bergerak khususnya di ruang

angkasa. Manfaat lain yang justru positif adalah untuk penggandaankanal frekuensi

RE

Aa

ffReE

ϕ

dimana,

=RE

vektor medan listrik

=Aa

orientasi antena

( ) ϕ=•= 22

AER cosaaPLF

Page 9: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

Karakteristik #7: Temperatur Antena• Semua benda jika temperaturnya ≠ 0° K, akan merupakan pemancar noise yang

spektrumnya sangat lebar, termasuk di kanal frekuensi operasi antena

• Temperatur antena ( TA ) adalah temperatur yang mewakili antena karenamenerima daya noise. Jika daya noise yang diketahui antena adalah NR, maka :

N

R

AB.k

NT =

dengan ,k = konstanta Boltzman = 1,38.10-23 J/oK

BN = Bandwidth noise system

• Temperatur antena dapat dihitung dari beberapa kontribusi :

33

• Temperatur antena dapat dihitung dari beberapa kontribusi :

∫∫ππ

φθθφθΩ

=

2

0 0

S

A

A d.d.sin).,(T1

T dgn, ∫ ∫ππ

φθθφθ=Ω

2

0 0

NA d.d.sin).,(G

ΩA = sudut ruang beam antena

GN(θ,ϕ) = pola penguatan normal

TS(θ,ϕ) = brigtness temperatur of sources

harga TS dari clear sky (zenith)

sekitar 3oK ≈ 5oK

dari arah horisontal sekitar 100oK

- 150oK

dari bumi sekitar 290oK - 300oK

Sumber noise adalah

: matahari, galaxy,

atmosfer, man made

(busi, dsb )

KonsepKonsep Aperture Aperture AntenaAntena

34Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Konsep Aperture Antena

Konsep aperture antena: antena sebagai luas bidang yang

menerima daya dari gelombang radio yang melaluinya

A

E

H

H

H

E

E

E

E

E

P

P

• Misalkan pada antena corong. Rapat daya pada permukaan corong P

(watt/m2), maka daya (Wr) yang berhasil diserap oleh antena adalah:

Wr = AP

• = P.A cos α α = arah orientasi antena terhadap arah

rWH

H

H

H H H

P

P α = arah orientasi antena terhadap arah

vektor rapat daya. Umumnya orientasi antena dibuat sesuai polarisasi gelombang, sehingga

terjadi penerimaan maksimum (α’ = 0)

• “ Daya yang ditangkap antena berbanding lurus dengan luas aperture-nya”. Dalam praktek, luas tersebut 0,5 – 0,7 luas sebenarnya. Hal ini berhubungan dengan terbaginya daya dari GEM menjadi bagian –bagian yang hilang sebagai panas, dipancarkan kembali, dll.

• Sehingga ada beberapa macam aperture : Aperture efektif, aperture rugi-rugi, aperture pengumpul, aperture hambur, dll

35 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

• Antena seolah-olah mempunyai aperture yang luasnya adalah daya tersebut dibagi dengan rapat daya gelombang yang datang pada antena. Dinyatakan :

PWA = (meter persegi)

a. Aperture Efektif, Ae

Konsep Aperture Antena….

Aperture antena

a. Aperture Efektif, Ae

b. Aperture Rugi-Rugi, AL

c. Aperture Hambur, As

d. Aperture Pengumpul, Ac

e. Aperture Fisis, Ap

36 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Page 10: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

I

Antena dgn

beban

Rangkaian

ekivalen

P

TZ= +

A A AZ R jX

= +T T TZ R jX

V

Model…Model…

beban ekivalen

A T

VI

Z Z=

+AAA jXRZ +=

TTT jXRZ +=

LrA RRR +=

Rr = tahanan pancar RL = tahanan rugi ohmic antena

RT = tahanan terminal

37Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

2

TA

2

TLr )XX()RRR(

VI

++++=

2

TA

2

TLr

2

)XX()RRR(

RVW

++++=

RIW 2=

22

2

)XX()RRR(P

RV

P

WAperture

++++==

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA38

2

TA

2

TLr )XX()RRR(PPAperture

++++==

Mewakili

aperture

hambur, As Mewakili

aperture

rugi-rugi, AL

Mewakili

aperture

efektif, Ae

RT mewakili daya yang berguna bagi penerimaan

2

TA

2

TLr

T

2

T

)XX()RRR(.P

RV

P

WAe

++++==

• Ae menuju maksimum

pada orientasi penerimaan maksimum (α = 0 ), matched ( ), dan tidak

ada rugi-rugi ohmic antena ( R = 0 )

*

AT ZZ =

Aperture Efektif, Ae

ada rugi-rugi ohmic antena ( RL= 0 )

T

2

r

2

T

R.P4

V

R.P4

V

P

'WAem ===

• Definisi: EFFECTIVENESS RATIO ( α ) , sering juga disebut sebagai

efisiensi antena :

dengan 0≤ α ≤ 1

AemAe=α

39

Daya yang sampai pada penerima akan kurang

dari WT, jika saluran transmisi meredam, contoh

antena batang pendek biasa memiliki tinggi efektif

70 % dari tinggi sebenarnya.

2

TA

2

TLr

r

2

SS

)XX()RRR(.P

RV

P

WA

++++==

Rr mewakili daya yang diradiasikan kembali ke ruang bebas

• Jika RL = 0 ( antena lossless ), dan Rr = RT, dan XT = - XA (MATCHED),

maka 22 VV

Aperture Hambur, As (Scattering Aperture)

40

maka

T

2

r

2

R.P4

V

R.P4

V'As ==

As’ = apperture hambur matched

Sehingga Asm = 4 x As’ atau Asm = 4 x Aem.

Dalam hal ini, misalnya antena dipakai sebagai elemen parasit,seperti pada yagi atau juga sebagai elemen pemantul, seperti pada

paraboloidal antena.

• Definisi: SCATTERING RATIO, perbandingan hambur

AeAs=β

0 ≤ β ≤ ∞

Page 11: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

2

TA

2

TLr

L

2

LL

)XX()RRR(.P

RV

P

WA

++++==

Aperture rugi-rugi, AL

RL mewakili daya yang hilang sebagai panas

41 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

• Apertur pengumpul adalah jumlah Ae, As, dan AL

2

TA

2

TLr

TLr

2

C)XX()RRR(.P

)RRR(VA

++++

++=

Aperture rugi-rugi, AC

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA42

Apertur Fisis (Ap) merupakan luas maksimum tampak depan antena dari arah rapat daya

• Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, luas aperture fisis ini sangat

menentukan, tapi untuk beberapa antena lainnya tidak berarti samasekali

ApL

P

P

d 2π

Aperture Fisis, Ap

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA43

d Ap = Ld

P

4

dAp

2π=

4

DAp

2π=

• Definisi: ABSORBTION RATIO : perbandingan antara apertur efektif

maksimum dengan apertur fisis Ap

Aem=γ

∞≤γ≤0

Bermacam-Macam Nilai Aperture Untuk Keadaan Khusus

0RL = danTA XX −=

RTRr1

4Ae/Aem

Ac

Aperture Fisis, Ap

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA44

Rr

1 2 3 4

RT/Rr

Ac

Page 12: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

A. Antena Dipole Pendek

22 VV

0,119λ2

λ

L.EV =

2

22

r

L80R

λ

π=

Aperture Fisis, Ap

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 45

T

2

r

2

R.P4

V

R.P4

VAem ==

λ

)120(

EEP

2

0

2

π=

η=

20,119λ=

π

λ=

λπ=

8

3

L.E.320

L.E..120Aem

2

22

222

Jadi Aem untuk antena dipole pendek ( L < 0,λ ), besarnya adalah tetap 0,119λλλλ2, tidak tergantung kepada panjangnya

B. Antena Dipole 1/2 λλλλy

dy

RT

-λ/4 +λ/4

λ

π=

y2cos.II 0

λ

π==

y2cos.dy.Edy.EdV 0

∫ ∫λ

π

λ=

λ

π==

4/

0

00

Edy

y2cosE2dVV

R = 73 ohm

20,13λ===

T

2

r

2

R.P4

V

R.P4

VAem

Aperture Fisis, Ap

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA46

Rr = 73 ohm Tr R.P4R.P4

Dalam hal ini Aem >> Ap, atau γ besar. Jika antena dibuat

sangat tipis, maka Ap sangat kecil tetap Aem tetap (γ ∞ )

λ/4

λ/2

atau

HubunganHubungan AperturApertur DenganDengan DirektivitasDirektivitas

• Hubungan apertur dengan direktivitas adalah berbanding lurus, dinyatakan :

2

1

2

1

Aem

Aem

D

D=

• Jika tidak MATCHED sempurna,

G = ηηηηeff. D111eff1eff11

Ae

Ae

Aem

Aem

D

D

G

G=

×η

×η=

η

η=

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 47

222eff2eff22 AeAemDG ×ηη

ηeff = α = EFECTIVENESS RATIO

• Untuk antena isotropis, D = 1 , maka :

X

X

2

2ISO

D

Aem

D

AemAem ==

X2X Aem4

π=

Sehingga,

Aem isotropis diketahui dengan mengambil antena 2 adalah dipole pendek,

2

28

3Aem λ

π= dan D2 = 3/2 =

1,5

Antena Aem D D (dB)

Isotropis λ π λ 1 0

X2X Aem4

π=

Rumus di atas cukup penting untuk menghitung direktivitas antena jika aperturnya diketahui !!

Hubungan Apertur Dengan DirektivitasHubungan Apertur Dengan Direktivitas

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 48

Isotropis λ2/(4π) = 0,79λ2 1 0

Dipolependek

3λ2/(8π) = 0,119λ2 1,5 1,76

Dipole λ/2 30λ2/(73π) = 0,79λ2 1,64 2,14

Page 13: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

RumusRumus TransmisiTransmisi FriisFriis

Redaman lintasan propagasiRedaman lintasan propagasi

49Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

Rumus Transmisi Friis

Menghitung transfer daya dari Tx ke Rx

Tx

Isotropis

Rx

• Asumsi / syarat :

a. Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ; λ

≥2L2ra. Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ;

b. Medium tidak meredam

c. Tak ada multipath dari refleksi

λ≥ L2r

• Rapat daya pada penerima Rx, ( Pr ) :

2T

r r4

WP

π= 2

TRRrR r4

WAeAe.PW

π==

dimana,

WT = daya pancar pengirim

AeR = aperture efektif antena penerima

WR = daya yang diterima Rx

50 Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA

• Jika Tx memiliki direktivitas DT, maka :

2R

TTR r4

AeW.DW

π=2

TRRrR r4

WAeAe.PW

π==

Sehingga,

2

TR

T

R

r4

D.Ae

W

W

π=

T2T Ae4

π=

22

TR

T

R

r

Ae.Ae

W

W

λ=

Rumus Transmisi Friis…

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA51

=R

T

WW• Perbandingan transfer daya dari Tx ke Rx untuk

medan jauh, medium tak meredam dan tak ada refleksi

=T

R

WW• Redaman lintasan (path loss) jika pada Tx dan Rx

digunakan antena referensi ( umumnya isotropis ) dan biasa

dinyatakan dalam dB,

=

R

T

W

Wlog10Lp dB

λ=

RT

22

Ae.Ae

r.log10 denga

n π

λ==

4AeAe

2

RT( isotropis)

++

π=

λ

π= 22

22

rfc

4log10

r4log10

Lp = 32,5 + 20 log fMHz + 20 log rkm

Rumus Transmisi Friis

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA52

Lp = 32,5 + 20 log fMHz + 20 log rkm

Lp = 92,45 + 20 log fGHz + 20 log rkm

• Redaman lintasan atau pathloss disebut juga dengan redaman ruang

bebas / FSL (free space loss), terjadi bukan karena penyerapan daya

tetapi karena penyebaran daya

• Jika terjadi multipath, Lp berubah menjadi harga efektif, (Lp – 6 dB) ≤≤≤≤ Lpeff ≤≤≤≤ ∞∞∞∞

• Penurunan –6 dB ini dapat terjadi jika ada dual path yang merupakan

interferensi saling menguatkan secara sempurna (kuat medan di Rx dua

kali single path)

Page 14: TTG3D3a 2 KonsepDasarAntena 2015 fileTTG3D3 TTG3D3 Antena Antena ddaann PropagasiPropagasi Konsep Dasar Antena Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 1

The End The End

Modul 2 KONSEP DASAR ANTENA 53