Aplikasi Gelombang Mikro

Gelombang Mikro

5

Aplikasi Gelombang Mikro Aplikasi atau penerapan dari gelombang mikro cukup luas mencakup berbagai bidang. Dalam buku ini hanya dibicarakan beberapa aplikasi dalam bidang-bidang tertentu saja yaitu antara lain yang berkaitan dengan spektroskopi, pelacakan obyek dan telekomunikasi. Pada spektroskopi yang terutama adalah dalam spektroskopi atom berdasarkan peristiwa resonansi spin electron (ESR). Dalam masalah pelacakan (deteksi) dibicarakan terutama yang berkaitan dengan sistem RADAR untuk pelacakan obyek menggunakan gelombang mikro. Dalam bidang telekomunikasi, banyak dibicarakan masalah telekomunikasi modern menggunakan gelombang mikro yang penggunaannya sudah meluas diseluruh dunia. 5.1 Resonansi Spin Elektron (Electron Spin Resonance, ESR) Resonansi spin electron adalah peristiwa terjadinya resonansi magentik pada electron atom oleh adanya interaksi magentik antara electron dengan medan magnet dari luar. Suatu cupling tertentu yang bersifat paramagnetic bila dimasukkan dalam magnet kuat homogen, akan Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

6

mengalami interaksi magnetic, terjadi pengarahan arah spin electron datau momen magnet spin electron terhadap arah medan magnet. Apabila ditambahkan medan magnet osilasi gelombang mikro akan terjadi resonansi magnetic untuk frekuensi gelombang mikro tertentu dan terjadi pembalikan arah spin atau momen magnet spin electron. Peristiwa resonansi ini dapat menimbulkan sinyal yang dapat diamati. Dari besarnya harga medan magnet homogen dan frekuensi gelombang mikro tersebut dapat dihitung besaran-besaran electron antara lain momen dipole magnet electron, factor tetapan Lande, lebar resonansi dan sebagainya. 5.1.1 Dasar Teori Semua electron dalam atom bergerak mengelilingi inti (gerak orbit) sambil berputar pada dirinya (spin). Gerakan tersebut menimbulkan momentum putar orbital dan spin serta momen magnet spin dan orbital. Momen magnet total electron dapat dituliskan,

µ j = gl l µ0 + g s s µ0 = g j Jµ0 J =l +s

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

(5.1)

Gelombang Mikro

7

gl adalah factor tetapan Lande orbital, g s tetapan Lande spin, g j tetapan Lande total, l adalah bilangan kuantum orbital dan s adalah bilangan kuantum spin. Harga l = 0, 1, 2, dan seterusnya bergantung pada bentuk orbit sedang harga s = 1 2 sama untuk semua electron. µ0 adalah satuan momen dipole magnet atom =1 magneton Bohr = 9,273 × 10−24 Joule/T. Jh = momentum putar total electron. Apabila suatu sample bersifat paramagnet (berarti harga µ atom m 0), dimasukkan dalam medan magnet homogen B0 dari luar, akan terjadi interaksi berupa gaya magnetic dituliskan,

r r r F = µ × B0

(5.2)

r r r Gaya F ini arahnya ⊥ µ dan B0 , akibatnya r r vector µ akan berputar mengelilingi arah B0 , disebut presesi (presesi Larmor). Besarnya frekuensi presesi dapat diturunkan berdasarkan hokum Newton dimana, gaya F = turunan kewaktu dari momentum putar electron. Momentum putar electron dapat dituliskan = lh untuk orbital dan = sh untuk spin. r Untuk medan magnet B0 cukup kuat > 0,2 T, ikatan (kopling) antara spin dan orbit membentuk J akan lepas, masing-masing akan Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

8

r berinteraksi sendiri-sendiri terhadap medan B0 . Frekuensi presesi vector spin terhadap medan B dapat diturunkan dari hokum Newton di atas, dapat dituliskan,

ω0 = g s B0 µ 0 h = γB0

(5.3)

γ = g s µ0 h disebut factor giromagnetik. Tenaga interaksi magnetic dari momen dipole magnet spin dengan medan magnet homogen luar B0 cukup tinggi, berdasarkan teori elektromagnet adalah, v E = − µ ⋅ B0 r = − gs ⋅ B0 µ0 = − g s cos θ B0 µ 0

(5.4)

= − g m B0 µ0 .

θ adalah sudut antara µ dan B0 . m = s cos θ , proyeksi s dan B0. Untuk spin s = ½ harga m terkuantisasi = +1/2 dan −1/2, jadi hanya mempunyai 2 tingkat. Faktor Lande spin g berdasarkan experimen dan teori besarnya adalah = 2 (neg) sama untuk semua elektron.


Gelombang Mikro

9

Gambar 5.1 a. Momen dipol magnet spin µ dalam medan magnet luar B0. b. Tingkat tenaga interaksi magnetik. Dari Gbr. 5.1, tenaga interaksi magnetik spin dengan medan magnet luar B0 pecah menjadi 2 tingkat, masing-masing + gB0 µ0 2 dan − gB0 µ0 2 dengan selisih tenaga, ∆E = gB0 µ 0 .

(5.5)

Elektron akan berada pada tingkat tenaga yang lebih rendah dengan m = 1 / 2, jadi arah vektor spinnya berlawanan arah terhadap medan B0. Apabila dari luar ditambahkan lagi medan magnet, tetapi yang berosilasi misalnya dengan frekuensi ν atau frekuensi sudut ω = 2πν , akan terjadi resonansi magentik bila tenaga medan osilasi ini hν = ∆E. Dari pers. (5.5), dapat diperoleh,

ν = gB0 µ0 h atau, ω = gB0 µ0 h = γB0 . Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

(5.6)

Gelombang Mikro

10

Ternyata pers. (5.6) ini sama dengan pers. (5.3). Jadi frekuensi resonansi magnetik spin ini sama dengan frekuensi presesi Larmor. Untuk medan magnet B0 = 0,3 T, besarnya frekuensi resonansi yaitu frekuensi medan magnet osilasi,

( 2)(0,3)(9,273)(10−24 ) ν= 6,6254 ⋅10−34

= 8,4 ⋅109 Hertz = 8,4 GH. Frekuensi sebesar ini adalah termasuk gelombang mikro. Sewaktu resonansi, terjadi serapan tenaga gelombang elektromagnetik sebesar hν , dimana tingkat tenaganya naik dari E− ke E+. Adanya serapan tenaga ini menimbulkan perubahan induksi magnetik yang terasakan sampai di osilator dan menghasilkan sinyal keluaran yang dapat diamati dengan osiloskop sesudah diperkuat. Apabila besarnya frekuensi resonansi ν dan medan magnet B0 dapat diukur, maka dari persamaan (5.6) dapat ditentukan faktor Lande spin g dan selanjutnya faktor giromagnetik γ dan besarnya momen dipol magnet spin µ. 5.1.2 Peralatan dan Experimen


Gelombang Mikro

11

Alat-alat yang diperlukan dalam spektroskopi ESR ini antara lain, osilator sebagai sumber gelombang mikro yang biasa disebut klistron, elektromagnet untuk menghasilkan medan magnet homogen B0, rongga cuplikan yang biasa (cavity), detektor gelombang mikro untuk menangkap sinyal resonansi, osiloskop dll. Bagan peralatan ditunjukkan pada gambar 5.2. Bentuk rongga cuplikan berbentuk segi 4 prisma atau silinder dengan ukuran geometri tertentu sesuai dengan ragam gelombang mikro yang digunakan yaitu TEmnp atau TMmnp. Bilangan p berkaitan dengan panjang rongga yang merupakan kelipatan λ 2 . Besaran yang biasa divariasi biasanya medan magnet B0, sedang frekuensi ν dibuat tetap. Untuk memperoleh medan magnet resonasi lebih cepat, pada B0 dapat ditambahkan medan sapuan selebar ∆B.

Gelombang Mikro

12

Sinyal resonansi keluaran berbentuk Gaussian atau Lorentzian simetri yang kemudian diambil turunan pertamanya menjadi bentuk kurva dispersi yang ditampilkan pada osiloskop.

Gambar 5.3 Sinyal resonansi keluaran. a) Sinyal resonansi serapan. b) Sinyal turunan pertama.

Pada sinyal turunan pertama (b), penentuan medan magnet resonansi dan lebar resonansi ∆B p menjadi lebih tepat. Panjang absis medan magnet B sesuai dengan lebar sapuan ∆B. Lebar resonansi ∆B p berkaitan dengan waktu relaksasi

Frekuensi gelombang mikro yang biasa digunakan umumnya sekitar 10 GHz, frekuensi tersebut termasuk pita X.

magnetisasi. Pelebaran resonansi ini juga akibat medan magnet yang tak homogen. Umumnya medan magnet yang dibuat selalu mempunyai besar ketidak homogenan tertentu tergantung kualitas elektromagnetnya. Lebar resonansi ini juga bergantung pada jenis cuplikan. Bahan cuplikan yang akan diselidiki harus bersifat paramagnetik. Bahan paramagnetik yang bersifat alami tidak bagitu banyak antara lain garam-garam sulfat yang besifat kristal serbuk, batu bara dan arang dari kayu atau bahan hidrokarbon, bahan yang mengandung



Gambar 5.2 Bagan peralatan spektrometer ESR. a). Klistron, b). Pandu gelombang, c). Detektor, d) Osiloskop, e). Kutub magnet, f). Rongga cuplikan, g). Cuplikan.

Gelombang Mikro

13

silikon, germanium, beberapa jenis bahan kimia tertentu antara lain, antrasin, DPPH dsb. Bahan paramagnetik lebi banyak diperoleh dengan dibuat dengan cara melepas elektron dari atom atau memisah ikatan molekul sehingga bersifat paramagnetik atau bisa disebut bersifat radikal. Pada gambar 5.4 diberikan contoh spektrum resonansi bahan batubara alami.

Gelombang Mikro

14

elektron, bentuk kristral yang isotrop dsb. Bentuk kristal tak isotrop menghasilkan harga faktor Lande g pecah sesuai dengan arah sumbu-sumbu kristal (g bersifat tensor). Untuk bahan garam logam sulfat, pemecahan spektrum terutama berasal dari interaksi magnetik antara inti dan elektron. Spektrumnya akan pecah menjadi beberapa puncak disebut spektrum halus. Pemecahan spektrum adalah akibat interaksi magnetik momen dipol magnet spin inti dan elektron. Tenaga interaksinya dapat dituliskan sbb., EIs = − a ms mI .

Gambar 5.4 Spektrum resonansi bahan batubara.

(5.7)

tersebut dapat ditentukan antara lain faktor Lande spin g yang besarnya sekitar 2. Harga tersebut dan juga lebar resonansi ∆B p bervariasi

ms = +1 2 dan − 1 2 dari spin s = 1 2 . mI dari tinti I yaitu proyeksi I terhadap arah B0 . mI = − I ,− I + 1,− I + 2, I . Ada sebanyak 2 I + 1 buah mI . a adalah tetapn interaksi spin inti-elektron. Inti mn mempunyai spin inti I = 5 2 , jadi harga mI ada 6 buah. Pemecahan tenaga interaksinya diberikan pada gambar 5.6.

bergantung pada jenis batubara dan lokasi tempat penambangan. Pada bahan garam sulfat dan bahan kimia lain, spektrum resonansinya dapat bersifat kompleks, tidak hanya tunggal. Hal ini diakibatkan oleh adanya interaksi magnetik antar atom atau molekul, antara inti dan

Gambar 5.5 Pemecahan tingkat-tingkat tenaga pada elektron oleh adanya interaksi magnetik

Dari gambar spektrum tersebut dapat ditentukan medan magnet resonansi B0 res frekuensi res, lebar resonansi ∆B p . Dari besaran



Gelombang Mikro

15

spin inti dan elektron. Tampak ada 6 terjunan yang menghasilkan 6 puncak spektrum.

Dari gambar di atas dapat terjadi terjunan (transisi) tenaga elektron yang memenuhi syarat kuantisasi ∆ms = 1, ∆mI = 0, sebanyak 6 buah yang akan menghasilkan 6 spektrum. Gambar spektrum yang diharapkan ditunjukkan pada gambar 5.6.

Gambar 5.6 Spektrum resonansi halus dari bahan garam mangan sulfat MnSO4.6H2O. Apabila spektrometer ESR resolusinya rendah, ke 6 puncak tersebut tampak menjadi hanya 1 spektrum yang lebar. Dari gambar 5.5 dapat diturunkan frekuensi masing-masing puncak resonansi.

ν 1 = (∆E − 52 a ) h

Gelombang Mikro

16

Dari persamaan ini, bila ∆ν dapat diukur, tetapan interaksi magnetik antara inti dan elektron dapat ditentukan. 5.1.3 Bahan Paramagnetik Buatan Berbagai cara atau metoda dapat dilakukan untuk menghasilkan bahan yang bersifat paramagnetik atau radikal tersebut antara lain dengan radiasi sinar ultra-violet, sinar X, sinar radioaktif α, β, γ, dengan reaksi kimia dsb. Bahan-bahan yang diradiasi akan mengalami kerusakan oleh adanya pelepasan elektron atau pemecahan molekul. Apabila dosis radiasi belum melebihi batas tertentu, kerusakan tersebut dapat pulih lagi dengan kecepatan tertentu. Kecepatan timbulnya radikal dan kembalinya pulih dapat diukur dari perubahan intensitas sinyal resonansi terhadap waktu. Apabila intensitas radiasi melebihi dosis aman, bahan akan tetap rusak dalam jangka lama, mungkin tak dapat kembali pulih. Pada gambar 5.7 diberikan contoh perubahan tinggi sinyal resonansi dari bahan yang mengandung Fe yang diradiasi dengan sinar γ dari radioaktif Cs137 dengan tenaga 662 KeV.

ν 6 = (∆E + 52 a ) h ∆ν = ν 6 − ν 1 = 5a h Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

(5.8)

Gambar 5.7 Perubahan tinggi sinyal resonansi ESR terhadap waktu dari bahan yang Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

17

mengandung Fe setelah diradiasi dengan sinar γ Cs137. Dari grafik di atas tampak perubahan tinggi sinyal yang besarnya sebanding dengan besarnya sifat paramagnetik bahan setelah diradiasi turun secara exponensial terhadap waktu. Selanjutnya dapat dihitung kecepatan pulih, umur serta kekuatan sifat paramagnetiknya atau tingkat kerusakan bahan. 5.2 Radar Radar adalah singkatan dari Radio Detection and Ranging. Radar berfungsi untuk melacak obyek tertentu menggunakan gelombang mikro. Jadi radio yang dimaksudkan disini adalah gelombang mikro. Gelombang mikro bila mengenai obyek bahan konduktor (logam) akan memantul seperti cahaya. Gelombang pantul ini bila dapat ditangkap (deteksi), akan dapat diketahui adanya obyek sasaran dan dimana posisinya. Gelombang mikro dipancarkan secara kontinu atau pulsa (denyut). Untuk mengetahui jarak atau posisi sasaran, digunakan gelombang mikro pulsa. Gelombang ini dipancarkan dari pemancar berbentuk antena parabola. Parabola ini berfungsi sebagai pemancar dan penerima gelombang mikro yang dipantulkan oleh sasaran. Arah antena parabola dapat diatur ketempat Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

18

sasaran. Posisi sasaran dapat ditentukan dari selang waktu saat gelombang dipancarkan dan diterima kembali. Jumlah pulsa bervariasi antara 800 – 2000 per sekon. Jangkau pelacakan bergantung pada daya pemancar. Makin kuat dayanya, makin jauh jarak sasaran yang dapat dilacak. Sumber gelombang mikro yang biasa digunakan adalah jenis magnetron. Frekuensi gelombang mikro yang banyak digunakan adalah antara 3 – 10 GHz (termasuk pita X). Sinyal yang dihasilkan oleh antena penerima umumnya sudah lemah sekali, maka diperlukan penguat sehingga dapat ditampilkan dimonitor. Sinyal diterima oleh penerima secara periodik bergantian dengan keluaran dari magnetron. Hal ini dapat diatur dengan pemindah hubungan (switch). Bagan unit radar dapat dilihat pada gambar 5.8. Pada switch ini akan terhubung secara otomatis ke magnetron atau ke penerima, sesuai dengan kontrol selang waktu pulsa.

Gambar 5.8 Bagan peralatan sistem radar. M adalah magnetron Selang waktu antara pulsa dipancarkan dan diterima kembali adalah, Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

yang

Gelombang Mikro

19

∆t = 2 d c

(5.9)

Untuk jarak sasaran d = 10 km, 2 ⋅10 ⋅103 ∆t = = 7 ⋅10−5 det. 8 3 ⋅10 Selang waktu ∆t ini dapat dilihat pada monitor. Daya gelombang yang digunakan bergantung pada keperluan. Untuk keperluan militer dapat mencapai MW pulsa. Gelombang mikro dalam radar dapat di lewatkan dengan kebel atau pandu gelombang. Dengan pandu gelombang dayanya hanya sedikit yang hilang di jalan. Bila menggunakan kabel, pada ujung pemancar dihubungkan dengan kawat 1 panjangnya kelipatan 2 λ . Apabila menggunakan pandu gelombang, ujungnya dihubungkan dengan corong (horn) mengarah ke parabola. Untuk gelombang mikro dengan frekuensi 10 GHz, ternyata lebih mudah terganggu oleh hujan deras dibanding dengan frekuensi 3 GHz. Daya gelombang sebagian terserap oleh air hujan. Selain gangguan hujan, gangguan lain dapat berasal dari antara lain, a. Gerakan motor pemutar antena. b. Keadaan cuaca, panas, dingin, angin dsg. c. Rangkaian elektronik misalnya penguat, filter dsb. d. Sinyal radar dari sumber lain. Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

20

Sinyal pantulan dari sasaran setelah diperkuat, dapat dimunculkan menjadi bunyi, sehingga apabila dianggap sebagai bahaya, segera dapat diketahui oleh banyak orang. Pesawat radar dapat mengetahui atau membedakan sasaran yang diam atau bergerak berdasarkan prinsip Doppler. Hal ini banyak digunakan di militer ataupun sipil. Efek Doppler berkaitan dengan timbulnya efek perubahan frekuensi oleh adanya gerakan sumber atau sasaran. Misalnya pengamat berada di unit radar dalam keadaan diam sedang sasaran dalam keadaan bergerak dengan kecepatan v seperti ditunjukkan pada gambar 5.9.

Gambar 5.9 Efek Doppler dalam teknik radar. Radar dan pengamat diam dikoordinat O sedang sasaran bergerak dengan kecepatan menjauh v ditempatkan di koordinat O’. Gelombang radar dipancarkan dari antena parabola di O dengan kecepatan u, sedang gelombang terpantul oleh sasaran bergerak di O’ kecepatan baliknya u’ menuju penerima. Kecepatan ini dipengaruhi oleh kecepatan gerak sasaran v. Pembahasan secara sederhana, yaitu


Gelombang Mikro

21

peninjauan secara klasik, dapat dituliskan, bila kecepatan gelombang di O = u, kecepatan di O’. u' = u − v

(5.10)

Bila dibagi dengan λ ,

u ' λ ' = (u − v ) λ '

(5.11)

Panjang gelombang ditempat diam dan bergerak adalah sama, jadi λ = λ '. Persamaan (5.11) dapat dituliskan dalam frekuensi,

ν ' = u ' λ ' = (u − v ) λ = ν (1 − v u ) ν'

(5.12)

adalah frekuensi gelombang mikro yang kembali. Tampak bahwa frekuensi yang diterima kembali < dari frekuensi datang atau yang dipancarkan oleh pemancar. Bila sasaran bergerak mendekat pengamat, kecepatan v tandanya positip, maka frekuensi yang dikembalikan akan > dari frekuensi datang. Untuk sasaran diam v = 0, maka ν ' = ν . Dari selisih frekuensi ∆ν = ν '−ν , dapat untuk menentukan kecepatan gerak sasaran. Pada pesawat radar modern, semua sistem dikontrol dengan komputer dan terprogram, dapat menentukan posisi, arah dan kecepatan sasaran dengan cepat. Untuk tujuan menembak Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

22

sasaran setelah semua data terkumpul, kemudian diproses sehingga tembakan dapat mengenai sasaran dengan lebih tepat. Pesawat radar buatan Amerika yang paling canggih saat ini adalah yang bernama AWACS (sistem kontrol dini kawasan lingkungan) yang dapat melacak semua obyek didaerah yang luas dari pesawat. Dayanya sangat kuat dan sistem pelacaknya sangat peka. 5.3 Komunikasi dengan Gelombang Mikro Komunikasi menggunakan gelombang mikro adalah jenis komunikasi modern yang paling banyak digunakan secara luas di dunia sekarang ini. Dengan gelombang mikro, jangkaua sasaran komunikasi menjadi hampir tak terbatas seperti bila menggunakan gelombang radio dll., baik dipermukaan bumi maupun di angkas luar. Dengan menggunakan antena parabola, gelombang mikro dapat difokuskan ke satu arah seperti halnya cahaya, sehingga jarak jangkau menjadi semakin jauh. Media komunikasi yang secara umum digunakan orang disemua negara adalah televisi, telepon, facimile dsb. Berikut dibicarakan secara singkat bagaimana daerah frekuensi gelombang mikro yang digunakan untuk komunikasi, sistem pemancar dan penerima dan sistem satelit komunikasi.


Gelombang Mikro

23

5.3.1 Pembagian Daerah Frekuensi Untuk komunikasi menggunakan gelombang mikro, daerah frekuensi yang biasa dioperasikan adalah antara 1 GHz sampai 40 GHz. Daerah frekuensi dibagi-bagi menjadi interval frekuensi yang biasa disebut pita frekuensi (frequency band). Gelombang mikro yang dihasilkan dari pembangkit gelombang mikro dilewatkan pada pandu gelombang yang umumnya berbentuk segi empat dengan pola atau ragam tertentu. Pada tabel berikut diberikan pembagian daerah frekuensi gelombang mikro dan ukuran pandu gelombang. Ukuran pandu gelombang adalah λ × 12 λ. Pada pita X dengan λ = 10 GHz, 8 9 λ = c v = 3 ⋅10 10 ⋅10 = 3 cm. Jadi ukuran pandu gelombang adalah 3× 1,5 cm. Gelombang mikro dengan panjang gelombang < λ 2 akan diteruskan sedang yang > λ 2 akan terserap oleh pandu gelombang jadi tak dapat diteruskan. Tabel 5.1 Pembagian pita gelombang mikro untuk komunikasi dan ukuran pandu gelombang. Pita Frekuensi, Ukuran (GHz) panjang gelombang (cm) L 1,12 – 2,7 16,5 × 8,26 S 2,6 – 3,95 7,21 × 3,40 Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

G C J H X M P N K R

24 3,95 – 5,85 4,90 – 7,05 5,85 – 8,20 7,05 – 10,0 8,20 – 12,4 10,0 – 15,0 12,4 – 18,0 15,0 – 22,0 18,0 – 26,5 26,5 – 40,0

4,75 × 2,21 4,04 × 2,02 3,48 × 1,57 2,84 × 1,26 2,29 × 1,02 1,91 × 0,95 1,57 × 0,79 1,30 × 0,65 1,07 × 0,43 0,71 × 0,36

5.3.2 Pemancar dan Penerima Jenis pembangkit gelombang mikro yang umum banyak digunakan adalah klistron, magnetron dan diode semikonduktor, sesuai dengan daya yang diperlukan. Disamping itu biasa digunakan pula penguat gelombang mikro yaitu TWA atau TWT (Travelling wabe tube amplifier) yang dapat memperkuat daya antara 30 – 60 dB. Untuk komunikasi, sinyal-sinyal input dimasukkan pada anoda (grid) jadi potensial anoda akan termodulasi oleh sinyal input dan diteruskan pada keluaran gelombang mikro. Gelombang mikro yang sudah termodulasi diteruskan keantena pemancar lewat pandu gelombang. Antena ini biasanya berbentuk parabola atau kawat panjang tertentu kelipatan 1 Pada ujung pandu gelombang dipasang 2 λ. corong (horn) diarahkan ke permukaan parabola. Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

25

Pada antena parabola, gelombang mikro menjalar hanya satu arah sesuai dengan arah pembukaan parabola sedang pada antena kawat gelombang mikro menjalar kesegala arah.

Gambar 5.10 Sistem pemancar dan penerima komunikasi dengan gelombang mikro menggunakan antena parabola. Pada input modulasi (dengan frekuensi sekitar 700 MHz) dapat dimasukkan sinyal suara, gambar, data dsb secara analog maupun digital. Pada sistem penerima, gelombang mikro yang tertangkap oleh parabola dipancarkan ke horn atau kawat penerima yang dipasang di tempat fokus. Sinyal tersebut diteruskan dengan kabel ke penguat, disaring (filter) sehingga sinyal dari input tadi dapat dipisahkan yang kemudian setelah diperkuat, ditampilkan dilayar pendar pesawat TV ataupun monitor lain. Sinyal input siaran TV berasal dari kamera atau video umumnya berupa analog. Sinyal input digital semakin banyak digunakan dalam komunikasi modern karena tidak mudah mengalami gangguan secara mekanik maupun elektronik dan dapat dipancarkan dengan jangkauan yang lebih jauh. Sinyal audio maupun gambar yang mula-mula Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

26

berupa analog dapat diubah menjadi sinyal digital. Sinyal yang diterima oleh pesawat penerima berbentuk digital tersebut dapat diubah menjadi analog lagi bila diperlukan. Untuk memperbesar dan memperluas jangkau komunikasi dengan gelombang mikro, digunakan sistem satelit. Satelit yang selalu berada di angkasa dalam garis edarnya berfungsi sebagai antena penerima gelombang mikro yang dikirimkan dari parabola di Bumi dan juga sebagai pemancar mengembalikan sinyal ke permukaan Bumi dalam daerah yang cukup luas. Pesawat satelit tersebut khusus dinamakan setelit komunikasi. Sistem komunikasi umum modern yang makin populer jaman sekarang adalah penggunaan telepon genggam. Prinsipnya sama dengan komunikasi sistem radio, tetapi disini menggunakan frekkuensi gelombang mikro denga frekuensi GHz. Pelaksanaannya seperti sistem telepon jadi secara digital. Sumber gelombang mikro adalah semikonduktor denga catu daya baterai. Bentuknya kecil sebagai gagang telpon, dapat digenggam atau disaku, jadi dapat dibawa kemana saja. Dengan kode digital seperti pada nomor telpon konvensional (biasa), pulsa isarat telpon genggam dapat dimasukkan kekode pulsa telpon biasa. Jangkauan telpon genggam ini menjadi tak terbatas, baik dalam negeri maupun ke luar negeri seperti telpon konvensional.


Gelombang Mikro

27

Isyarat komunikasi lewat jasa telpon digital dapat mengambil dari komputer dengan sistem modem. Komputer pribadi yang ada di rumah dengan sistem modem dihubungkan ke sambungan telpon. Isyarat komunikasi dapat dimasukkan lewat komputer dengan kode digital secara internasional seperti pada telpon genggam. Sistem komunikasi ini biasa dikenal sebagai internet. Komunikasi jarak jauh antar negara yang umum, baik dengan telpon konvensional, telpon genggam maupun internet, semuanya menggunakan media gelombang mikro sistem satelit. 5.3 Satelit Komunikasi Satelit komunikasi yang berfungsi sebagai penerima dan pemancar sinyal komunikasi yang dibawa oleh gelombang mikro, biasa ditempatkan di angkasa diposisi tertentu terhadap daerah kawasan di bumi yang cukup luas dan tetap. Satelit tersebut harus tetap beredar mengelilingi bumi dengan kecepatan tertentu sehingga tercapai kesetimbangan antara gaya tarik gravitasi bumi dengan gaya setripetalnya. Agar posisinya tetap di atas suatu daerah di bumi, maka kecepatan sudut edar satelit harus sama dengan kecepatan sudut putar bumi. Dalam waktu 24 jam bumi berputar 360o. Misalkan satelit dalam keadaan setimbang tersebut ketinggian dari pusat bumi = R. Bila massa Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

28

satelit m, kecepatan edar, persamaan gaya gravitasi dan gaya sentripetal dapat dituliskan, GMm mv 2 = R2 R

(5.13)

Dengan G adalah tetapan gravitasi bumi = 6,67×10−11 m3/kg, dan M adalah massa bumi = 6×1024 kg. Bila kecepatan sudut bumi sama dengan ω, kecepatan satelit adalah, v = ωR =

2π R T

(5.14)

dengan T = 24 jam. Substitusi v pada pers. (5.14) ke pers. (5.13), diperoleh, GM 4π 2 R 2 = atau R T2 13

 GMT 2  R= 2   4π 

(5.15)

Bila dimasukkan angka-angka di atas, 13

 6,67 × 10 −11 ⋅ 6 × 10 24 ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60  R=  2 4 ⋅ (3,14 )  

= 4,23 × 10 4 km.


Gelombang Mikro

29

Gelombang Mikro

30

Satelit komunikasi yang dimiliki Indonesia dinamakan Palapa. Satelit Palapa yang pertama diluncurkan pada sekitar tahun 1980. Satelit palapa mempunyai kemampuan dan umur tertentu. Kemampuan satelit dinyatakan dengan jumlah transponden yaitu banyak saluran frekuensi yang digunakan untuk komunikasi. Umur satelit adalah antara 5 s/d 8 tahun, dengan demikian tiap kali menghadapi habis masa kerjanya, perlu diganti dengan satelit lain. Sampai sekarang sudah diluncurkan beberapa satelit antara lain jenis Palapa B1, Palapa B2, Palapa C1 dan Palapa C2. Satelit Palapa ditempatkan pada orbit di atas equator pada ketinggian 3,6 × 103 km di atas laut. Posisi satelit dapat diatur dari bawah dengan antena parabola di Cibinong. Satelit komunikasi umumnya menggunakan daerah kerja frekuensi pada pita 4-6, 7-8, 12-14 atau 2030 GHz. Gelombang mikro yang membawa sinyal komunikasi dikirim ke atas ke satelit Palapa dari pemancar parabola yang dapat dipasang di berbagai temapt di Indonesia. Satelit Palapa yang dilengkapi dengan antena parabola penerima menerima sinyal tersebut, kemudian diperkuat dan diadakan pergeseran frekuensi menjadi

sedikit lebih rendah oleh transponden dan selanjutnya memancarkan kembali ke bumi. Daya yang digunakan oleh satelit berasal dari solar cell. Transponden berfungsi sebagai penggeser frekuensi terdiri dari antena, solar panel, sistem penterjemah dan sistem kontrol. Sinyal komunikasi yang dipancarkan kembali ke bumi oleh satelit mencapai daerah cukup luas, seluruh Indonesia bahkan dapat meluas ke negara tetangga sampai Australia, Cina, Asia selatan. Daya gelombang mikro yang diterima di bumi sudah sangat lemah turun sampai – 200 dB. Untuk menerimanya harus digunakan antena parabola dan sistem penguat yang besar. Misalkan dari pemancar di bumi dikirimkan sinyal ke satelit dengan daya pancar 1000 W. Sesudah dikembalikan oleh satelit dan diterima oleh antena di bumi tinggal 10−16 W. Bila sinyal tersebut dilewatkan pada kabel 50 Ohm, sinyal yang dihasilkan hanya 7×10−8 Volt. Untuk dapat diproses lebih lanjut, diperlukan sistem penguat yang berkemampuan tinggi dan penekan noise yang baik sehingga selanjutnya dapat diperoleh sinyal yang cukup untuk ditampilkan dilayar atau pada monitor. Satu satelit dapat menerima dan memancarkan beberapa frekuensi sekaligus untuk berbagai keperluan. Untuk komunikasi modern, sinyal dipancarkan secara digital. Untuk modulasi sinyal suara, jumlah bit rata-ratanya 64



Karena jari-jari Bumi = 6,4×103 km, maka ketinggian satelit dari permukaan bumi, h = 4,23 × 10 4 − 6,4 × 103 km = 35,9 × 103 km

Gelombang Mikro

31

kilobit/det sedang sinyal TV memerlukan 40-90 Mbit/det. Satelit Palapa C mempunyai jumlah trasnponden sebanyak 34, lebih besar dibanding dengan jumlah transponden pada palapa sebelumnya jenis B1 dan B2. Ke 34 transponden tersebut dibagi 2, yang 30 bekerja pada pita C (56 GHz) dengan lebar 60 MHz sedang yang 4 transponden bekerja pada pita K (20 GHz) dengan lebar pita 80 MHz. Berat satelit Palapa C sekitar 2 ton diluncurkan oleh roket Arianne di Amerika Selatan. Pita C mencakup Indonesia, Australia, Cina, Sibiria dan India. Pita K dapat mencakup Indonesia Timur, Asia Timur sampai Guam. Pita C untuk komunikasi telepon karena tahan terhadap cuaca sedang pita K baik untuk siaran TV, tapi peka terhadap cuaca. Negara-negara Asia yang sudah dapat membangun satelit komunikasi sendiri adalah Jepang, Cina dan India. Daftar Pustaka. 1. Elecron Spin Resonance. Oleh Charles P. Poole Jr. John Wiley & Sons, 1983. 2. Introduction to Microwave Theory and Meaurements. Oleh A. L. Lance. Mc Graw Hill Book, 1964. 3. Electron Spin Resonance. Oleh N. M. Atherton. Ellis Harwood, 1973 Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

Gelombang Mikro

32

4. Theory and Applications of Electron Spin Resonance. Oleh Walter Gordy. John Wiley & Sons, 1980 5. Electronic and Microwave Communication System. Oleh Kennedy. McGrw Hill 1984 6. Microwave. K.C. Gupta Wiley Kastern 1979 7. fdfdfdf 8. fdfdfdfdf Soal-soal Ujian 1. Tulislah persamaan Maxwell untuk di luar sumber dalam medium yang mempunyai tetapan dielektrik relatip ε r , tetapan permeabilitas relatip µr dan konduktivitas listrik σ. Selanjutnya turunkan persamaan gelombang mikro yang menjalar menuju arah X. Oleh adanya σ , tunjukkan bahwa amplitude gelombang mikro mengalami penurunan secara exponensial. 2. Suatu pandu gelombang mikro bentuk segi 4 panjang dengan ukuran penampang 3× 5 cm, dimasukkan gelombang mikro dengan panjang gelombang 3 cm dan amplitude medan listriknya 0,12 V/cm. Apabila dikehendaki gelombang mikro yang dapat dilewatkan adalah pola TM12, tulislah semua komponen medan


Gelombang Mikro

3.

4. 5.

6.

33

listriknya. Ingat E0 adalah jumlah vector komponen amplitudo. Pada pesawat ESR, untuk suatu cuplikan tertentu, frekuensi gelombang mikro terukur = 10 GHz. Sesudah divariasi medan magnetnya, diperoleh resonansi pada 0,33 T dengan lebar resonansinya = 1 mT. a. Gambarkan spectrum resonansinya kemudian hitung faktor Lande cuplikan dan waktu relaksasinya. b. Apabila resolusi alat cukup tinggi, oleh adanya interaksi magnetik antara elektron dan inti, terjadi pemecahan spektrum. Gambarkan spektrumnya bila I dari intinya = ½. Jelaskan tentang factor kualitas Q pada rongga resonator dan cara pengukurannya. Sebuah pandu gelombang segi 4 panjang, lebarnya 6 cm, tingginya 4 cm, dimasukkan gelombang mikro deng frekuensi 8 GHz. Amplitudo gelombang medan listrik adalah 0,2 V/cm dengan pola gelombang dalam p.g. tersebut TM21. a. Tulislah semua komponen medan listrik dan magnet gelombang mikro dalam p.g. tersebut. b. Hitung kecepatan grup, kecepatan fase dan impedansinya. Pada sebuah pandu gelombang silinder dengan diameter 6 cm, dimasukkan


Gelombang Mikro

34

gelombang mikro dengan λ = 2 cm. Pola gelombang mikro yang menjalar dalam p.g. tersebut adalah TM12. a. Apabila diketahui daya rata-rata gelombang mikro yang dimasukkan 2 watt, tulislah semua komponen medan listrik dalam p.g. tersebut. b. Bila bagian ujung p.g. ditutup, akan terbentuk gelombang berdiri TM128. Berdasarkan panjang silinder tertutup tersebut. Tulislah semua komponen medan listriknya. 7. Garam kristal MnSO4.xH2O dimasukkan dalam tabung cuplikan pesawat ESR. Apabila medan magnet terpasang = 0,36 T, terjadi resonansi pada frekuensi 9 GHz. a. Bila diketahui inti Mn mempunyai I = 5/2, berapakah faktor Landenya. b. Oleh adanya interaksi magnetik antara elektron dan inti, terjadi pemecahan tingkat tenaga elektron. Gambarkan tingkat-tingkat tenaga dan juga bentuk spektrum halusnya. 8. Sebuah pesawat Radar dengan λ = 6 cm (secara pulsa), diarahkan ke pesawat Jet yang sedang bergerak menjauh. Dari pengamatan dimonitor, diketahui gelombang mikro pantulan mengalami pergeseran frekuensi 5,5 kHz terhadap gelombang datang.


Gelombang Mikro

35

a. Berapakah kecepatan pesawat tersebut. b. Diketahui lebar pulsa = 2 ms. Apabila selisih waktu sinyal pantulan gelombang dengan pulsa yang dikirimkan = 0,4 ms, berapakah selisih waktu sinyal pantulan tersebut sesudah bergerak selama satu lebar pulsa. 9. Gelombang mikro dari suatu klistron dimasukkan dalam pandu gelombang segi 4 ukuran 4 × 2 cm. Frekuensi gelombang mikro 25 GHz (pita K) dengan daya 5 watt. Pola gelombang mikro dalam pandu gelombang adalah TM32. a. Hitung kecepatan menjalar gelombang dalam p.g. dan juga impedansinya. b. Tuliskan semua komponen medan magnetnya. 10. Sebuah tabung silinder bahan konduktor berukuran diameter 7 cm, dimasukkan gelombang mikro dengan λ = 3 cm pola TE12. Ke dalam silinder dimasukkan bahan plastik yang mempunyai tetapan dielektrik relatip 8 dan tetapan permeabilitas relatip 12. Tabung ditutup sehingga membentuk rongga/cavity. a. Bila pola gelombang dalam rongga TE125, berapa panjang silinder.


Gelombang Mikro

36

b. Tulis komponen medan listrik resonansinya. 11. Sebuah elektron keluar dari katoda menuju dinding silinder dalamtabung magnetron dengan sudut keluar 60o terhadap sumbu oleh pengaruh potensial tetap 100 kV. Medan magnet terpasang 0,1 T. a. Hitung kecepatan gerak elektron. b. Jelaskan lintasan gerakannya 12. Suatu cuplikan bahan kimia radikal dimasukkan dalam pesawat ESR. Diketahui inti atom radikalnya mempunyai I = 2. a. Gambarkan pemecahan tingkat tenaga magnetik elektron akibat adanya interaksi magnetik elektron dengan inti. b. Bila terukur jarak pemisahan spektrum terjauh = 300 gauss hitunglah tetapan interaksi magnetiknya. c. Bila bahan tersebut dikenai radiasi sinar X, terjadi peningkatan kuat radikalnya menjadi 4 kali. Dari waktu paro peluruhan penguatan sifat magnetiknya, terukur = 10 menit. Gambarkan pola grafik peluruhan tinggi sinyal resonansinya.


Gelombang Mikro


37

Aplikasi Gelombang Mikro

Recommend Documents