Dasar Sistem Gelombang Mikro dan Konfigurasi Gelombang Mikro Digital
Eka Setia Nugraha,S.T.,M.T. 1
PENDAHULUAN • Gel mikro adalah wilayah spekrum gel elektromagnetik pd frek 1 GHz s/d 100 GHz ( panj gel 30 Cm s/d 0,3 mm) • Mulai diperhatikan sejak PD II utk radar resolusi tinggi dng berkas energi EM yg sempit. • Mampu mentransmisikan kanal banyak dan program TV. • Mampu berpropagasi dng bebas melalui lapisan ionisasi. • Energi mendekati selisih energi antara energy level atom2 dan molekul2 yg bersebelahan. • Saat ini banyak digunakan secara luas sbg alat pemanas gel mikro, oven (2,45 GHz), industri, medis.
Spektrum Elektromagnetik
PITA GEL MIKRO NEW DESIGN
FREQ GHz
OLD DESIGN
FREQ GHz
C
0.5 – 1.0
D
1.0 – 2.0
L
1.0 – 2.0
E
2.0 – 3.0
S
2.0 – 4.0
F
3.0 – 4.0
C
4.0 – 8.0
G
4.0 – 6.0
X
8.0 – 12.4
H
6.0 – 8.0
Ku
12.4 – 18.0
I
8.0 – 10.0
K
18.0 – 26.5
J
10.0 – 20.0
Ka
26.5 – 40.0
K
20.0 – 40.0
v
40.0 – 75.0
L
40.0 – 60.0
M
60.0 – 100.0
VHF
0.5 – 1.0
Aplikasi tek gel mikro • Penguatan antena ~ ukuran elektrik antena • Pita lebih lebar dpt direalisasikan pd frek lebih tinggi. • Sinyal gel mikro merambat lurus tidak dibelokan oleh ionosfeer. • Wilayah pantulan efektif sasaran radar umumnya ~ ukuran elektrik sasaran. • Resonansi berbagai molekul, atom dan nuklir terjadi pd frek gel mikro Î aplikasi unik pd ilmu dasar, remote sensing, diagnosa & pengobtan medis, dan metode pemanasan
Sejarah singkat • • • • • • • • • • •
1864 James C. Maxwell Î pers Maxwell 1893 Heinrich Hertz Î antena parabol dicatu oleh dipole 1893 William Thompson Î teori pandu gelombang 1897 – 1899 Lodge Î propagasi pd freespace & hollow metallic tube 1895 – 1898 Sir J. C. Bose Î pembangkitan gel mm 1937 Russel, Varian Bross Î vacuum tube Klystron 1938 J.D. Kraus Î corner reflector antenna 1944 Kompfner ÎTWT 1946 Percy Spencer Î microwave oven 1953 Deschamps Î microstrip antenna 1963 J.B. Gunn Î Gunn diode
1 IF stage
Source
Filter
Filter
Filter
Transmitter
Det
2 IF stage
1 IF stage
Filter
Filter Inform
Dual conversion Receiver
Filter
The Microwave Link ?
•
Microwave radio link, in the context of this course, refers to point-to-point fixed links that operate in duplex mode.
•
In its simplest form the microwave link can be one hop, consisting of one pair of antennas spaced as little as one or two kilometers apart, or can be a backbone, including multiple hops, spanning several thousand kilometers.
Gelombang Mikro Digital
Tujuan dari sistem yang menggunakan microwave adalah unutk mentransmisikan info dari suatu tempat ke tempat lain tanpa adanya interupsi dan sampai ke penerima dengan jelas. Karakteristik yang terdapat pada hubungan gelombang mikro adalah antara antena pemancar dan antena penerima harus bebas pandang (Line of Sight). Hal tersebut berarti bahwa antar antena harus tidak ada penghalang (obstacle), yaitu sesuatu yang menghalangi atau menutupi lintasan perambatan gelombang mikro).
22-09-12
9
The Microwave Link (Cont’d)
• The above drawing is functional block diagram of a typical microwave link consisting of set of multiplexers, digital .microwave radios, antennas and transmission lines
Product
Bagian-Bagian Minilink (Ericcson)
Outdoor Unit
ODU Mounting
ODU 1 HYBRID
Antenna
ODU 2
Indoor Unit
Network Topology • Menspesifikasikan bagaimana node-node berbeda di dalam network harus diinterkoneksikan
Topologies Chain
Topology Star
Topologies Ring
Combined Topologies
Microwave Network Example
Application for Cellular Network Cellular/UMTS Backbone BTS
STM-0 / PDH Approach BTS
STM-1 Ring
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Pada pembangunan sistem transmisi gelombang-mikro digital memerlukan suatu perencanaan sistem yang meliputi : - Pemilihan spesifikasi dan kapasitas sistem, - Pemilihan route transmisi, - Perencanaan setiap hop radio, - Prediksi unjuk-kerja sistem, dan - Perencanaaan gedung, dan prasarana lain
22-09-12
Alfin Hikmaturokhman, MT http://sinauonline.org
25
Faktor-faktor yang mempengaruhi transmisi microwave antara lain :
1.Antenna 2.Pengaruh Atmosphere 3.Terrain Effects 4.Fading 5.Availability 6.Diversity 7.Link Analysis
22-09-12
26
Antenna
Antena adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Antenna memegang peranan yang penting dalam komunikasi microwave. 1.1 Antenna Gain Antenna gain merupakan karakteristik yang paling penting. Antenna gain mengukur kemampuan antenna untuk mengirimkan gelombang yg diinginkan ke arah yg dituju. Untuk antenna parabola efficiency tidak akan 100% karena beberapa power hilang oleh “spilover” dan juga bisa karena pabrikasi antenna. Secara commercial antenna parabola mempunyai efesiensi sekitar 50-70%, (Robert G. Winch, Telecomunication Transmission System Microwave, Fiber Optic, Mobille Cellular Radio, Data and Digital Multiplexing, Singapore, 1993) 22-09-12
27
Antenna Gain
Nilai penguatan antena dalam dB dengan frekuensi dalam GHz adalah: G = 20 log f + 20 log D + 10 log + 20,4 ……………… (1) (Roger L. Freeman, Radio System Design for Telecomunications (1-100 GHz),New York, 1987.)
G : penguatan antena (dB) f : frekuensi radio dalam GHz D : diameter antena dalam meter c : kecepatan cahaya (3 x 108 m/dt) : efisiensi antena. Dari persamaan diatas bisa disimpulkan bahwa gain akan menigkat jika frekuensi bertambah tinggi dan diameter antenna juga bertambah lebar.
22-09-12
28
Beamwidth (Lebar sinar)
Beamwidth disebut juga “half power beamwidth” atau 3 dB beamwidth. Lobe utama (main lobe) adalah lobe yang mempunyai arah dengan pola radiasi maksimum. Biasanya juga ada lobe-lobe yang lebih kecil dibandingkan dengan main lobe yang disebut dengan minor lobe. Lobe sisi (side lobe) adalah lobe-lobe selain yang dimaksud. Besarnya Beamwidth = besarnya sudut AOB Dimana CD berjarak 3 dB dengan D adalah titik puncak main lobe dan titik A serta titik B merupakan 3 titik dB down pada main lobe. Garis CD adalah “boresight: atau as dari main lobe.
22-09-12
29
BW
Persamman beamwidth antenna parabol adalah sebagai berikut :
21,1 f .D
f = frekuensi kerja dalam GHz D = diameter antenna dalam satuan meter. Dari persamaan diatas dapat diambil kesimpulan : Makin besar diameter antenna dan frekuensi , akan berakibat semakin kecil beamwidth dari antenna dan makin panjang bentuk main lobenya. Hal ini berarti semakin tajam direktivitasnya sehingga harus lebih cermat dalam pengarahan antenna. Apabila menyimpang sedikit saja boresightnya dari LOS akan besar sekali kemorosotan gain antenna tersebut.
22-09-12
30
Antenna Noise Penampilan (performance) suatu sistem komunikasi diukur dari kesamaan antara sinyal yang diterima dan sinyal yang dikirimkan, serta ketidak tergantungan penerimaan dari faktor-faktor lain Noise yang memasuki sistem bisa mengurangi performance . Derau (noise) dalam sistem komunikasi dapat digambarkan sebagai sinyal yang tidak diharapkan. Secara umum, kehadirannya dalam sistem komunikasi ada yang berasal dari dalam sistem, yang disebut internal noise dan yang berasal dari luar sistem, yang disebut external noise.
Contoh dari internal noise yaitu noise yang dibangkitkan dari dalam komponen-komponen elektronik, seperti resistor,transistor,diode yang digunakan dalam penguat (amplifier), mixer, detector dan perangkat elektronik lain dalam sistem komunikasi. Salah satu jenis dari internal noise adalah thermal noise, yang diakibatkan adalah panas konduktor karana adanya aliran arus listrik. 22-09-12
31
Thermal Noise
Thermal noise dibangkitkan karena adanya aliran listrik, karena elektron-elektron menumbuk molekul-molekul dalam konduktor. Jika temperatur konduktor tersebut naik, noise juga akan naik karena molekul-molekul tersebut bergerak lebih cepat yang mengakibatkan lebih banyaknya tumbukan yang terjadi. Besar daya noise yang dibangkitkan sebanding dengan temperatur konduktor, yang dinyatakan dengan Pn = kTB Pn = daya termal noise (W) k = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 J/oK B = lebar bidang frekuensi /bandwidth (Hz) T = temperatur absolut (derajat Kelvin = oK), yaitu der Cel + 273o. Sebagai contoh, jika temperatur 300oK, bandwidth 40 MHz,, maka Pn = kTB = (1,38 x 10-23)(300)(40 x 106) = 0,166 pW.= -127,8dBW 22-09-12
32
Bila kita analisa rumus dislide sebelumnya, k tidak berubah (konstan). Sehingga daya noise untuk suatu bandwidth tertentu hanya tergantung pada temperatur sumber noise (noise berbanding lurus dengan temperatur).
33
Komunikasi LOS (Line of Sight)
34
Komunikasi LOS (Line of Sight)….. ctd
Prinsip dasar
35
Komunikasi LOS (Line of Sight)….. ctd
Prinsip dasar
36
Komunikasi LOS (Line of Sight)….. ctd
Prinsip dasar
37
Prinsip dasar
38
Clearance menentukan tinggi menara Tx-Rx. Clearance Factor :c
clearance c Jari - jari Fresnel F
x
F1
1
1
Biasanya diinginkan cF1 = 56% 60% sangat disukai karena: Loss Propagasi = FSL untuk jenis pemantul apapun, dan Ldif = 0 dB, Bebas Terrain, tinggi Optimal. 39
Path Profile-LOS 400 800 E 350 700 D
600 300
hB
cx
500 250
ho
A 400 200
B
C
hA 300 150
yB
yo
dA
200 100
dB
yA 100 50
00 -30 -30
d
hc
-25
-20 -20
Prinsip dasar
-15
-10 -10
40
-5
00
5
10 10
15
20 20
25
30 30
Prinsip Kesebangunan Cx
h1 hc d1
t h2
d2
h1d 2 h 2d1 t d 2 d1
Prinsip dasar
obsta cle
41
Ket. gambar (referensi permukaan laut): •Cx = Clearance=0.6 F1 •hc=hcorrected= ketinggian koreksi
Prinsip Kesebangunan Cx
h1 hc d2
t h2
d1
h1d 2 h 2d1 t d 2 d1
Prinsip dasar
obst acle
42
Ket. gambar (referensi permukaan laut): •Cx = Clearance=0.6 F1 •hc=hcorrected= ketinggian koreksi
Untuk mencari tingginya tower yang akan dibangun diperlukan parameter-parameter: Tinggi tower di lokasi A, tinggi tower di lokasi B, tinggi lokasi antena pemancar di atas permukaan laut, tinggi lokasi antena pemancar di atas permukaan laut, peninggian profil atau faktor koreksi, tinggi penghalang (gunung, bukit dan sebagainya), tinggi penghalang (pohon, gedung dan sebagainya), daerah fresnel pertama, faktor kelengkungan bumi, frekuensi yang digunakan, jarak antara pemancar dengan penghalang dan jarak antara penerima dengan penghalang.
22-09-12
43
22-09-12
Dari permasalahan yang terdapat pada point A, diketahui bahwa sepanjang lintasan yang akan dilalui link GMD sejauh 40 Km terdapat suatu penghalang yang berupa gedung setinggi 9 meter yang terletak 18 Km dari tower yang sudah dibangun. Tower yang sudah terpasang tersebut mempunyai ketinggian setinggi 45 meter. Link GMD ini akan dibangun di daerah dataran dekat pantai yang beriklim topis atau sedang sehingga lebih baik dipilih 1.33 untuk faktor kelengkungan bumi. Karena lokasi tersebut berada di jalur dekat laut maka ketinggian lokasi di A dan di B dianggap 0 karena di atas permukaan laut dan tinggi penghalang yang berupa gunung sebesar 0 karena di sepanjang jalur tidak terdapat gunung ataupun bukit. 44
Carilah tinggi antenna penerima apabila tinggi antenna pemancar = 56 m, frek : 10Ghz dengan parameter-parameter lainnya sama dengan perhitungan sebelumnya.
22-09-12
45
