BAB II TEORI DASAR ANTENA
2.1
Umum Dilihat dari latar belakang telekomunikasi berupa komunikasi wireless,
antena radio pertama dibuat oleh Heinrich Hertz yang tujuannya untuk membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik yang sebelumnya telah diprediksi oleh James Clerk Maxwell. Pada tahun 1886, Hertz memasang peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antena dipole sebagai pengirim dan antena loop segi empat sebagai penerima.[1] Asal kata antena berhubungan dengan apa yang diciptakan oleh Guglielmo Marconi. Marconi melanjutkan penelitian Hertz dengan menambah rangkaian tuning dan antena besar yang mampu melakukan pensinyalan dalam jarak yang sangat jauh dengan menggunakan tiang yang tingginya 2,5 meter dan kawat. Kawat digunakan sebagai radiasi dan menerima aliran listrik yang dalam bahasa Itali dikenal sebagai l’antenna centrale dan kawat yang melilitnya disebut l’antenna. Pada pertengahan Desember 1901, Marconi mengejutkan dunia dengan penerimaan sinyal di St. Johns, New Foundland dari stasiun pengiriman yang telah dibangunnya di Poldhu, Cornwall, Inggris [2].
2.2
Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat
listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian
Universitas Sumatera Utara
dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal [3]. Gelombang berosilasi secara periodik atau berulang – ulang ditandai dengan adanya frekuensi (rata – rata pergerakan tiap pengulangan atau banyaknya getaran tiap detik), dapat diketahui dari Persamaan (2.1) [1] : (2.1) Dimana : f adalah frekuensi dalam hertz (Hz) T adalah periode dalam detik. Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (f) dan kecepatan (v) yang ditunjukkan pada Persamaan (2.2) [1] :
λ=
c f
(2.2)
Kecepatan (v) bergantung pada medium. Frekuensi adalah besaran yang lebih mendasar dan tidak bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space), maka : c = 3 x 108 m/s
(2.3)
Panjang fisik antena (l) adalah fungsi panjang gelombang (λ) yang tergantung pada frekuensi. Panjang antena dalam meter dapat dihitung dengan Persamaan (2.4) [1]: l=
(2.4)
Dimana : l = panjang antena λ = Panjang gelombang
Universitas Sumatera Utara
2.3
Pengertian Antena Antena merupakan bagian dari sistem komunikasi radio. Antena adalah
perangkat media transmisi nirkabel yang memanfaatkan udara sebagai media penghantar [3]. Antena berfungsi sebagai peralatan konversi atau pengubah energi gelombang
elektromagnetik
terbimbing
menjadi
energi
gelombang
elektromagnetik ruang bebas sebagai pemancar (transmitter), dan mengubah energi gelombang elektromagnetik ruang bebas menjadi energi gelombang elektromagnetik
terbimbing
sebagai
penerima
(receiver).
Gambar
2.1
menunjukkan gambar antena sebagai pemancar dan penerima.
Gambar 2.1 Antena Sebagai Pemancar dan Penerima
2.4
Parameter – Parameter Antena Parameter – parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur
performa antena yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter antena yang sering digunakan yaitu direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, polarisasi antena, beamwidth antena, dan bandwidth antena.
Universitas Sumatera Utara
2.4.1 Direktivitas Antena Direktivitas antena atau arah pancaran antena adalah kemampuan arah pancar dari sebuah antena untuk memfokus energi gelombang elektromagnetik untuk dipancarkan ke semua arah atau arah tertentu, atau kemampuan menerima energi gelombang elektromagnetik lebih baik dari segala arah atau arah tertentu pada saat menerima. Ada jenis antena yang dibuat secara khusus untuk memfokus energi gelombang elektromagnetik dari antena ke arah yang dikehendaki yaitu antena unidirectional. Ada pula jenis antena yang memiliki pancaran menyebar ke semua arah yaitu antena omnidirectional [4]. Direktivitas antena merupakan perbandingan kerapatan daya maksimum dengan kerapatan daya rata - rata. Maka dapat dituliskan pada Persamaan (2.5) [1] : Direktivitas = D =
P (θ ,φ ) maks P (θ ,φ ) rata − rata
(2.5)
2.4.2 Gain Antena Gain antena adalah perolehan kelebihan yang didapat dari pemakaian sebuah antena dengan membandingkannya dengan antena lain yang digunakan sebagai referensi [5]. Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil daripada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.6) [1] : Gain = G = k . D
(2.6)
Dimana : k = efisiensi antena,
0≤k≤1
Universitas Sumatera Utara
2.4.3 Pola Radiasi Antena Pola radiasi antena merupakan representasi grafis yang menggambarkan komponen radiasi pada antena sebagai fungsi ruang [6]. Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi. Gambar 2.2 menunjukkan pola radiasi antena dalam dua dimensi dan tiga dimensi.
Gambar 2.2 Dimensi Pola Radiasi Antena Dua gambaran pola radiasi yang paling penting adalah pola bidang medan listrik E dan pola bidang medan magnet H. Pada bidang medan listrik E merupakan gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum pengarahan radiasi di mana medan listrik E terbentang pada bidang gambar. Sama halnya dengan pola bidang medan listrik E, pola bidang medan magnet H merupakan gambaran pola radiasi yang diperoleh dari nilai maksimum pengarahan radiasi di mana medan magnet H terbentang pada bidang gambar. Bidang medan listrik E dan bidang medan magnet H saling tegak lurus. Gambar 2.2 menunjukkan koordinat bidang pada pola radiasi, di mana warna ungu menyatakan bidang medan listrik E dan warna biru menyatakan bidang medan magnet H.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Ilustrasi Bidang Pola Radiasi Antena
Pola Radiasi Antena Unidirectional Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat
menjangkau jarak yang relatif jauh. Gambar 2.4 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena unidirectional.
Gambar 2.4 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang medan magnet H dan E ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional Dalam Koordinat Polar
Pola Radiasi Antena Omnidirectional Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti
bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 360 derajat jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.6 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional.
Gambar 2.6 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Apabila dalam koordinat polar atau grafik, pola radiasi bidang medan magnet H dan E ditunjukkan pada Gambar 2.7.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Dalam Koordinat Polar
Jenis – jenis medan Antena : a. Medan reaktif yang merupakan bagian karakteristik medan antena akibat gelombang berdiri yang melambangkan energi yang tersimpan. b. Medan radiasi yang merupakan bagian karakteristik medan antena akibat radiasi gelombang (propagasi) yang melambangkan energi dipancarkan oleh antena.
Daerah – daerah medan antena : a. Daerah medan dekat reaktif yang merupakan daerah yang berada disekitar antena dimana medan reaktif sangat dominan (energi tersimpan gelombang berdiri). b. Daerah medan dekat Fresnel yang merupakan daerah antara medan dekat reaktif dan medan jauh dimana radiasi medan sangat dominan dan distribusi medan tergantung jarak dari antena.
Universitas Sumatera Utara
c. Daerah medan jauh Fraunhofer merupakan daerah paling terjauh dari antena dimana distribusi medan secara esensial berdiri sendiri dari jarak antena sumber (propagasi gelombang).
Gambar 2.8 Daerah – Daerah Medan Antena
Notasi D merupakan dimensi maksimun dari antena, R1 merupakan jari-jari dari medan dekat reaktif dan R2 merupakan jarijari dari medan radiasi medan dekat. Adapun untuk mendapatkan nilai R1 dan R2 mengunakan Persamaan (2.7) [1] dan (2.8) [1] :
(2.7)
(2.8)
Universitas Sumatera Utara
Definisi – definisi pola radiasi antena adalah sebagai berikut : a. Pola isotropis adalah pola sebuah antena didefinisikan sebagai radiasi serba sama ke segala arah, pola ini dibentuk oleh sebuah radiator isotropis (sumber titik, sebuah antena non-fisik yang tidak mempunyai arah). b. Pola keterarahan merupakan sebuah pola dikarakterisasi oleh beberapa radiasi yang efisien dalam satu arah dibandingkan arah lainnya (secarafisik antena yang dapat direalisasikan adalah antena pengarah saja). c. Pola omnidirectional merupakan sebuah pola yang serba sama dalam pemberian ruang radiasinya. d. Pola bidang utama yaitu pola bidang E dan bidang H dari sebuah polarisasi linier antena. Bidang E adalah bidang yang terdiri vektor medan elektrik dan arah radiasinya maksimum. Bidang H adalah bidang yang terdiri vektor medan magnetik dan arah radiasinya maksimum.
Parameter – parameter pola radiasi antena adalah sebagai berikut : a. Cuping radiasi (Radiation Lobe) merupakan puncak intensitas radiasi tertinggi disekitar daerah intensitas radiasi terendah. b. Cuping utama (Main Lobe) merupakan cuping radiasi pada arah radiasi maksimum. c. Cuping minor (Minor Lobe) merupakan cuping radiasi lainnya dari pada cuping utama. d. Cuping sisi (Side Lobe) merupakan sebuah cuping radiasi dalam arah lainnya daripada arah radiasi yang dipusatkan.
Universitas Sumatera Utara
e. Cuping belakang (Back Lobe) merupakan kebalikan daripada cuping radiasi terhadap cuping utama. f. Half Power Beamwidth (HPBW) merupakan lebar sudut berkas utama pada titik setengah daya antenna (-3dB). g. First Null Beamwidth (FNBW) merupakan lebar sudut antara bagian null (kosong) pertama pada sisi lain berkas utama.
Parameter-parameter pola radiasi antena tersebut diatas terlihat pada Gambar 2.9 bawah ini.
Gambar 2.9 Parameter - Parameter Pola Antena (Pola Daya Ternormalisasi)
Definisi daripada keterarahan antena dan penguatan antena secara esensialnya mempunyai kesamaan kecuali pada bagian daya yang digunakan. Keterarahan [D(θ ,φ )] merupakan perbandingan antara densitas daya radiasi antena pada jarak titik tertentu terhadap daya radiasi total antena (Prad) secara isotropis. Penguatan [G(θ ,φ )] merupakan perbandingan densitas radiasi antena pada jarak titik tertentu terhadap daya input total antena (Pin) yang diradiasikan
Universitas Sumatera Utara
secara isotropis maka, penguatan antena akan tergantung pada daya total yang melayani terminal masukan antena, serta perhitungan untuk rugi-rugi ohmic pada antena dilakukan ketika keterarahan tergantung pada daya total radiasi dan tidak termasuk efek rugi-rugi ohmic. Persamaan untuk keterarahan dan penguatan seperti pada Persamaan (2.9) [1] dan (2.10) [1] : (2.9)
(2.10)
Hubungan antara keterarahan dan penguatan sebuah antena dapat ditentukan dengan menggunakan definsi efisiensi radiasi antena seperti pada Persamaan (2.11) [1] dan (2.12) [1] :
Prad =ecd Pin
(2.11) (2.12)
Maka,
G(θ ,φ ) = ecd D(θ ,φ ) Umumnya, gain dari antena ini dinyatakan dalam decibel (dB), bukan berdimensi kuantitas. Persamaan untuk mengkonversi unit-unit berdimensi dB seperti pada Persamaan (2.13) [1] : GdB =10log10(Gdimensionless)
(2.13)
Universitas Sumatera Utara
2.4.4 Beamwidth Antena Beamwitdth adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 dB menurun dari puncak lobe utama [7]. Besarnya beamwidth adalah sebagai berikut pada persamaan (2.14) [8]: B=
21,1 derajat f .d
(2.14)
Dimana : B = -3 dB HPBW (derajat) f = frekuensi (GHz) d = diameter antena (m)
Gambar 2.10 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe, nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor 2), dan lobe sisi belakang (back lobe, nomor 3).
Gambar 2.10 Beamwidth Antena
2.4.5 Bandwidth Antena Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut
Universitas Sumatera Utara
antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11. Dikatakan bekerja dengan efektif jika distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut benar - benar belum banyak mengalami perubahan yang berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang dihasilkannya masih belum keluar dari batas yang diizinkan. Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antena. Misalnya sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar fC, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f1 (di bawah fC) sampai dengan f2 (di atas fC), maka bandwidth dari antena tersebut adalah (f1 – f2). Tetapi apabila dinyatakan dalam persen, maka bandwidth antena tersebut adalah : BW% =
f 2 − f1 x 100 % fc
(2.15)
Bandwidth yang dinyatakan dalam persen seperti ini biasanya digunakan untuk menyatakan bandwidth antena yang memiliki band sempit (narrow band). Sedangkan untuk band yang lebar (broad band) biasanya digunakan definsi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah [9]. BWr =
f2 f1
(2.16)
Gambar 2.11 Bandwidth Antena
Universitas Sumatera Utara
2.4.6 Impedansi Antena Impedansi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara medan elektrik terhadap medan magnetik pada suatu titik [8]. Dengan kata lain pada sepasang
terminal
maka
impedansi
antena
bisa
didefinisikan
sebagai
perbandingan antara tegangan terhadap arus pada terminal tersebut. ZT =
V I
(2.17)
Dimana : ZT = impedansi terminal V = beda potensial terminal I = arus terminal
2.5
Jenis –Jenis Antena Beberapa jenis - jenis antena yang dipakai secara umum yaitu Antena
Isotropis dan Antena Directional. 2.5.1 Antena Isotropis Antena isotropis merupakan sumber titik yang memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. Karena itu dikatakan pola radiasi antena isotropis berbentuk bola. Antena ini tidak ada dalam dunia nyata dan hanya digunakan sebagai dasar untuk merancang dan menganalisa struktur antena yang lebih kompleks [3]. Gambar 2.12 menunjukkan gambar antena isotropis.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Antena Isotropis
2.5.2 Antena Directional Berdasarkan direktivitasnya, antena directional dibagi menjadi antena unidirectional dan antena omnidirectional. Antena unidiretional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Sedangkan antena omnidirectional adalah antena yang memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah.
2.5.2.1 Antena Unidirectional Antena unidirectional memancarkan dan menerima sinyal hanya dari satu arah. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk pola radiasinya yang terarah. Antena unidirectional mempunyai kemampuan direktivitas yang lebih dibandingkan jenis – jenis antena lainnya. Kemampuan direktivitas ini membuat antena ini lebih banyak digunakan untuk koneksi jarak jauh. Dengan kemampuan direktivitas ini membuat antena mampu mendengar sinyal yang relatif kecil dan mengirimkan sinyal lebih jauh. Umumnya antena unidirectional mempunyai spesifikasi gain tinggi tetapi beamwidth kecil. Hal ini menguntungkan karena kecilnya beamwidth
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan berkurangnya derau yang masuk ke dalam antena. Semakin kecil bidang tangkapan (aperture), semakin naik selektivitas antena terhadap sinyal wireless yang berarti semakin sedikit derau yang ditangkap oleh antena tersebut [7]. Beberapa macam antena unidirectional antara lain antena Yagi-Uda, antena parabola, antena helix, antena log-periodik, dan lain – lain [9].
2.5.2.2 Antena Omnidirectional Antena omnidirectional memancarkan dan menerima sinyal dari segala arah dengan daya yang sama. Untuk menghasilkan cakupan area yang luas, gain antena omnidirectional harus memfokuskan dayanya secara horizontal, dengan mengabaikan pola pancaran ke atas dan ke bawah. Dengan demikian, keuntungan dari antena jenis ini adalah dapat melayani jumlah pengguna yang lebih banyak dan biasanya digunakan untuk posisi pengguna yang melebar. Kesulitannya adalah pada pengalokasian frekuensi untuk setiap sel agar tidak terjadi interferensi. Antena jenis ini biasanya digunakan untuk posisi pelanggan yang melebar. Direktivitas antena omnidirectional berada dalam arah vertikal. Bentuk pola radiasi antena omnidirectional digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Kebanyakan antena ini mempunyai polarisasi vertikal, meskipun tersedia juga polarisasi horizontal. Antena omnidirectional dalam pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena yang lebih kompleks [7]. Contoh antena omnidirectional antara lain antena dipole, antena Brown, antena coaxial, antena super-turnstile, antena groundplane, antena collinear, antena slotwave guide, dan lain – lain [9].
Universitas Sumatera Utara
