Antena dan Propagsi Gelombang
GELOMBANG RADIO & TELEKOMUNIKASI Sejarah telekomunikasi listrik : 1873 Maxwell (C), 1880 H.R Herz (T.I Karlsruhe,lab.), 1901 Marconi (lapangan), 1931 Faraday (L),1938 SFB Morse hubungan telegrap 16 km. Sekarang : 1. telepon, radio & TV → sehari-hari 2. jaringan global komunikasi suara, gambar, tulisan, data/komputer 3. penelitian & pertahanan : radar, telemetri, computer & communication beserta jaringannya 1.1 Elemen Sistem Komunikasi Fungsi dasar sistem komunikasi sama : - transmisi/pengiriman informasi - tiap macam sistem mempunyai kekhususan sendiri. Definisi komunikasi : Proses pemindahan/penyaluran informasi dari suatu titik dalam ruang pada waktu tertentu (titik sumber) ke titik lain yang merupakan tujuan atau pemakai. Message merupakan salah satu manifestasi (bentuk fisik) informasi Sumber informasi : orang, alat musik, mesin →messagenya huruf, tekanan udara fungsi waktu, cahaya yang berubah-ubah, dll. Tujuan komunikasi : menyediakan replika message pada tempat tujuan. Transduser : mengubah message menjadi sinyal listrik atau sebaliknya, f(t) ke i(t) 1. transduser input (TI) 2. transduser output (TO)
Elemen komunikasi Elemen sistem komunikasi – menurut fungsinya, dalam hardware mungkin susah dipisahkan.
TI
SI message input
Tx sinyal input
CH
sinyal yg ditransmisikan
Rx sinyal input
TO sinyal output
TT message output
redaman derau interferensi distorsi
Gambar 1-1 Elemen sistem komunikasi Pemancar Tx : mengkopel message dalam bentuk sinyal yang ditransmisikan ke kanal transmisi . Signal prosesing untuk transmisi yang efektif dan efisien antara lain modulasi, penyesuaian sinyal dengan sifat-sifat kanal transmisi. Kanal transmisi : Sebagai penyambung listrik antara Tx - Rx sekaligus menjembatani sumber informasi (SI) dan tempat tujuan (TT). Contoh kanal transmisi : kabel coax, 2 kawat, waveguide, berkas laser, gelombang radio dll. Sifat utama : meredam, umumnya sangat besar. Penerima Rx : mengambil sebagian kecil sinyal dari kanal transmisi, memproses dan meneruskannya ke transduser output. Proses utama : demodulasi/deteksi, juga penguatan karena sinyal pada umumnya sangat kecil.
Redaman dan derau Dalam perjalanan sinyal dari SI ke TT terjadi perubahan dan pengaruh yang tidak dikehendaki: 1. redaman mudah diatasi dengan penguatan distorsi 2. - perubahan amplituda, frekuensi & fasa - pada sinyal ada distorsi, tidak ada sinyal distorsi hilang. - ditoleransikan sampai batas tertentu, hubungan dengan peralatan/kompensasi - disebabkan oleh respon sistem yang tidak sempurna terhadap sinyal. 3. interferensi - gangguan yang disebabkan oleh sinyal di luar sinyal yang diinginkan, biasanya buatan manusia - gangguan yang serupa dengan sinyal - diatasi dengan menghilangkan sinyal interferensi/sumbernya. derau 4. - gangguan yang tak mungkin dihilangkan walaupun secara teoritis - sinyal sebarang dan tak teramalkan yang bersumber dari sebab alamiah - informasi dapat tertutup oleh derau - sinyal harus > derau. S/N > 40 db, 10 e-9 ≤ Pe ≤10 e-3
Telekomunikasi radio 1.1.1 Telekomunikasi Radio Saluran transmisi antara Tx - Rx dapat berbentuk fisik atau non fisik (vakum, ruang bebas). Pada komunikasi radio gelombang EM dilepaskan ke ruang bebas oleh antena. Ruang bebas dapat berisi atmosfir bumi dan terhadap gelombang elektromagnetik terjadi : 1. pembiasan/pembelokan 2. pantulan, pembelokan dengan sudut datang = sudut pantul 3. hamburan atau penyebaran ke mana-mana 4. penyerapan sebagian /absorpsi
Antena
saluran transmisi non fisik
Antena
saluran transmisi fisik Tx
Rx
pemancar
penerima
Gambar 1-2 Sistem Komunikasi Radio
Telekomunikasi radio Tx : menghasilkan daya RF → saluran transmisi → antena → dipancarkan ke segala arah Rx : mengambil sebagian kecil daya gelombang elektromagnetik dari pemancar yang ada di ruang bebas melalui antena → saluran transmisi → Rx diproses. Penerimaan daya oleh antena sekitar 10-8 watt merupakan daya yang besar & mudah diproses. Efisiensi transfer daya hampir sama dengan nol. Efisiensi komunikasi → informasi yang diterima kalau replika diterima sempurna sepanjang waktu → efisiensi 100 % . Reliabilitas dalam praktek ≈ 99.99 %. Kualitas penerimaan informasi : S/N (analog) atau BER : Bit Error Rate (digital).
Spektrum Frekuensi dan Perambatan Gelombang Kelakuan gelombang elektromagnetik antara Tx = Rx tunduk kepada hukum-hukum fisika yang tak dapat diatur atau kuasai. Salah satu parameter yang mempengaruhi frekuensi dengan pembagian sebagai berikut (alokasi frekuensi): pemakaian media transmisi Nama f /Hz
λ
Ultraviolet tampak inframerah
10-6 m 3000 G
1 mm
30 G
1 cm
3G
10 cm
300 M
1m
30 M
10 m
3M
100 m
0.3 M
1 km
k
10 km
gelombang EHF mm super high freg. SHF ultra high freq. UHF very high freq. VHF high frequency HF medium freq. MF lower frequency LF very low freq. VLF audio frequency AF
3 k 100 km 300 1 Mm 30
Sinar laser
percobaan-percobaan kom. multi kanal TV, data, dsb.
1000 T 100 T
100 µm
300 G
30
Serat optik
Saluran gelombang radio (waveguide)
kabel koaksial
sepasang kawat
G 300 40 27 18 radio 12 microwave 84 2 1
radio gelombang pendek
radio gelombang panjang
ELF
10 Mm
percoban-percobaan navigasi 100 G satelit-satelit rele microwave 10 G satelit - bumi radar 1G radiosound TV UHF mobile, aeronautika TV VHF, FM 100 M radio mobile komersial amateur international. 10 M DF, CB broadcast AM 1M aeronautika kabel laut navigasi, 100 k radio beacon, radio samudera PLC, kom. kapal selam sonar telepon telegrap
1 mm Ka K KU X C S L 30 cm
I. T. U
:
International Telecommunication Union
CCIR
:
Comite Consultatif International de Radiocommunication
CCITT :
International Telegraph & Telephone Consultative Committee
Proses propagasi Spesifikasi dapat ditentukan / disesuaikan, dikuasai sepenuhnya. - Tx (mod) Dapat dikontrol - Rx (demod) - Antena - Frekuensi - dll. Tak dapat dikontrol : - perambatan gelombang - parameter lain menyesuaikan diri - diharapkan prediksi yang tepat - probabilitas, tak dapat dikuasai sepenuhnya. Penelitian/pengukuran untuk prediksi & penyesuaian : - pemilihan frekuensi - pengukuran sifat atmosfir bumi penyerapan pembiasan redaman pemantulan fading hamburan - pengukuran sifat perambatan bumi konduktivitas permeabilitas → redaman permitivitas - penyebaran → redaman lintasan
Proses propagasi Proses propagasi gelombang dapat dianalisis menggunakan gabungan dari dua macam pendekatan yaitu: - empiris , (sempit) - pengembangan teori (hukum-hukum fisika) sulit. Mekanisme perambatan gelombang antara Tx - Rx merupakan gabungan macam-macam perambatan, tapi selalu ada yang dominan sebagai berikut : a. Gelombang permukaan bumi, ground wave P E
H
+
+ + + + +
+
(a) ground wave , f < 3 MHz b. Gelombang langit, sky wave Ionosfir
Tx
Rx
(b) sky wave
Proses propagasi c. Gelombang ruang , space wave
f > 30 MHz d : dekat/ sedang = 50 km fading
d. Gelombang langsung , direct wave satelit f1 f2 Bumi
e. Hamburan troposfir, tropo scatter
d >> f > 30 MHz umumnya GHz
f > 30 MHz d : jarak kom. dekat
Karakteristik antena f. Gabungan / kombinasi dari dua atau lebih macam propagasi di atas. Misalnya : ground wave & sky wave pada standard broadcast (primary & secondary services). Tropo scatter dan difraksi. g. Lain2 seperti : komunikasi dengan meteor burst, hamburan ionosfir pantulan satelit, bulan dll. 1.2 Definisi-definisi & karakteristik antena Antena digunakan dalam komunikasi radio sebagai : a). pelepas energi elektromagnetik ke udara/ruang bebas sehingga berlaku sebagai pemancar atau sumber gelombang elektromagnetik. b). penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas. Contoh sehari-hari :
R
DE
D1
D2
D3 D4
Macam-macam antena 1.2.1 Macam-macam antena : • Antena kawat
dipole
helix
whip Loop nx Beverage dll.
Macam-macam antena Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pada dinding tabung, dll
Feed
Antena susunan pemantul
Antena pemantul
Feed
Macam-macam antena pemantul 2
pemantul 1
feed pemantul
Macam-macam antena Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.
Corong piramid
Bumbung gelombang terbuka
corong kerucut
celah pd dinding tabung, dll
1.3 Definisi & konsep
Gel. bebas
TX sal. transmisi (gelombang terbimbing)
RX sal. transmisi (gelombang terbimbing)
Gambar 1-6 Elemen sistem komunikasi radio a. Antena : transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas atau sebaliknya. : struktur transisi antara gelombang terbimbing dan gelombang bebas. b. Saluran transmisi : alat untuk membimbing energi gelombang EM dari suatu titik ke titik lain. Syarat : - redaman minimum - rugi-rugi panas << - rugi-rugi pancaran <<
Konsep antena - tidak menyebar, mengikuti saluran transmisi → satu dimensi. Contoh : 2 kawat, wave guide, kabel dll. c. Resonator:alat yang menunjukkan adanya gelombang berdiri/ada konsentrasi energi medan listrik & magnet, faktor Q = daya yang tersimpan/daya masuk atau keluar → cavity resonator.
C
Cavity stub saluran dihubung singkat
L
Konsep antena
saluran transmisi
ena ant
P0
P1
P2
resonator
Fungsi utama mendefinisikan alat mana yang paling dominan. Gelombang radio di udara mempunyai panjang gelombang ribuan km sampai mm → terus sampai di daerah ultra violet. d.
panjang gelombang :
λm =
λ' m =
300 v phasa = f MHz f MHz λ0 εr
Daerah antena
R1
R2 =
2 L2 λ Z0
L
2ZL
d. antena
2ZL
Z0
ZL
Z0
∞ d. Freshnel d. interferensi d. medan dekat
Z1
d. Fraunhafer d. medan jauh
(c) (b)
(a)
(a) daerah antena
( b, c ) ekivalensi antena Gambar 1-8 Daerah pengaruh antena
--------------Daerah antena: Benda-benda di daerah ini berpengaruh terhadap sifat-sifat antena d. antena dan medan EM belum transversal penuh d. Freshnel d. Fraunhofer : benda-benda di daerah ini tidak mempengaruhi antena, medan EM transversal lebar bidang frekuensi/bandwidth antena ditentukan oleh : - bentuk fisik → perubahan perlahan-lahan B > > - transformasi impedansi definisi : daerah frekuensi dimana SWR ≤ harga tertentu 1.1, 1.35, 1.5 dan 2
Parameter antena
•
Gambar 1-9 Antena seimbang atau balans ∞
d
D
D
D = const d
B2
B1
•
B3
B4
B5
Gambar 1-10 Antena tidak seimbang atau unbalans ∞ d
h
D
D = const. d
B1
•
B2
B3
L = ∞ dalam praktek dibuat dengan cara L >> λ.
B4
B5
