Modul#9 TTG3D3 Antena dan Propagasi
Komunikasi Gelombang Langit (Sky Wave) Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT
1
Outline Pendahuluan Karakteristik ionosfer Pembiasan dan Pantulan Dalam Ionosfer Desain Komunikasi Ionosfer
2
Pendahuluan
3
Pendahuluan Sky wave (gelombang langit) = Skip wave / Short Wave (SW), sering digunakan
sebagai media transmisi radio siaran internasional seperti BBC (British Broadcasting Corporation) dan VOA (Voice Of America) untuk memancarkan siaran hiburan dan informasinya ke belahan bumi yang lain. Sky wave menggunakan High Frequency (HF), yaitu pada frekuensi 3 - 30 MHz. Batas atas penggunaan frekuensi dibatasi oleh MUF (Maximum Usable Frequency) 300 GHz
3 kHz Radio Communication Radio, microwave, satellite
VLF 3 kHz
LF
30 kHz
Surface
MF 300 kHz
HF 3 MHz
Tropospheric
Nachwan Mufti A
VHF 30 MHz
Ionospheric
UHF 300 MHz
SHF
3 GHz
Space & Line Of Sight
EHF
30 GHz
300 GHz
Space
4
Pendahuluan Pada 1902, Oliver Heaviside (England) dan
Arthur Kennelly (America) secara terpisah mengemukakan adanya conducting layer (lapisan bersifat menghantar) pada ketinggian atmosfir yang dapat dipakai untuk memantulkan GEM kembali ke bumi. Namun sampai dengan saat itu belum ada bukti empirik dari wilayah ketinggian itu, dan sangat sedikit yang diketahui tentang sifat fisis dan elektris tentang bagian atas atmosfir bumi. Tetapi dengan adanya penemuan ionosonde pada pertengahan 1920, memungkinkan pengamatan langsung penelitian dan observasi langsung dari karakteristik ionosfer dan pengaruhnya terhadap perambatan gelombang radio. Hasil pengamatan Ionosonde Nachwan Mufti A
5
Jarak Komunikasi Untuk jarak sedang hingga jarak jauh : dari 150 km hingga ribuan km
• Perhitungan Jarak
Pada perencanaan siskom sky wave perlu diketahui jarak antara 2 titik di permukaan bumi, berdasarkan koordinat kedua titik tersebut
U
y
x
LB
B
Z
t or E ku a
LA A BA
1 1 tan (LA − LB )sin (y + x ) 2 Zo = 2 tan−1 2 1 sin (y − x ) 2 Jarak A-B = Zo x 111,12 (km) = Zo x 69,05 (mile) = Zo x 60,00 (n.mile)
BB
S
Nachwan Mufti A
Catatan: posisi koordinat (bujur dan lintang) dapat diketahui dari penerima GPS
6
Karakteristik Ionosfer
7
Ionosfer Pada ketinggian 50-500 km, molekulmolekul atmosfer dapat diionisasi oleh radiasi matahari menjadi gas terionisasi. Daerah ini disebut sebagai daerah Ionosfer
8
Ionisasi…. Ionisasi adalah proses pelepasan elektron bebas dari suatu atom netral yang berubah menjadi ion positif, dan juga proses penggabungan elektron dengan ion positif menjadi atom netral Ionosfer terjadi akibat bombardemen atom-atom gas menjadi elektron-elektron dan ion-ion terutama oleh radiasi matahari, meteor (sebagian kecil), energi rekombinasi dsb. Pemantulan GEM terjadi karena elektron saja yang berkelompok membentuk lapisan dengan konsentrasi maksimum pada tengahtengah lapisan Nachwan Mufti A
9
Lapisan-Lapisan Ionosfer Lapisan-lapisan yang ada pada ionosfer adalah : • Lapisan D (50-90 km) • Lapisan E (90-140 km) • Lapisan Es (kadang terjadi, tinggi : 90-140 km) • Daerah F1 (140-210 km) • Daerah F2 (diatas 210 km)
Nachwan Mufti A
10
Lapis-Lapis Ionosfer... Lapisan D (50-90 km) • Hanya ada pada siang hari saja • Menyerap frekuensi MF (0,3-3 MHz) dan absorbsi parsial pada gelombang HF • Reflektor bagi VLF dan LF (3-300 kHz) dan bersama-sama dengan bumi membentuk semacam waveguide Lapisan E (90-140 km) • Penggunaan untuk komunikasi HF dengan jarak komunikasi < 1500 km pada siang hari dan > 1500 km pada malam hari Lapisan Es / E sporadis (90-140 km) • Kadang-kadang terjadi 50% pada siang dan malam • Penggunaan untuk frekuensi VHF dengan jarak jauh (hamburan) • Kadang-kadang menghalangi lapisan diatasnya dalam komunikasi karena frekuensi kritisnya lebih tinggi Nachwan Mufti A
11
Lapis-Lapis Ionosfer... Lapisan F1 (140-210 km) • Hanya ada pada siang hari saja • Kadang-kadang dipakai sebagai pemantul pada siang hari • Gelombang yang menembus F1 , kadang-kadang juga menembus F2 , sehingga untuk komunikasi sering terjadi absorbsi, ditambah halangan oleh lapisan Es kadang-kadang Lapisan F2 ( lebih dari 140 km) • Konsentrasi ion dan elektron, serta tinggi khayal lapisan praktis tidak bergantung kepada elevasi matahari, tetapi berubah menurut musim dan bintik matahari • Penggunaan untuk komunikasi HF jarak jauh • Pada malam hari, lapisan F1 dan F2 bersatu pada ketinggian sekitar 300 km
Nachwan Mufti A
12
Indeks Bias Ionosfer Indeks bias ionosfer dapat dinyatakan :
Nq2 ni = ε = 1 + jωε0m(υ + jω) * r
Jika tumbukan perdetik kecil dibandingkan frekuensi gelombang, maka :
Dimana, N = kepadatan ion ( ion/m3 ) m = massa partikel (ion) q = muatan partikel υ = jumlah benturan per detik εr* = konstanta kompleks permitivitas ionosfer
Nq2 ni = 1− 2 2 4π f mε0 13
Nachwan Mufti A
Arti Fisis Indeks Bias... Nq2 ni = 1− 2 2 4π f mε0
•
•
f ni = 1− c f
Ionosfer dapat dianggap merupakan bahan dielektrik dengan permitivitas relatif εr* •
Jika N makin padat, maka indeks bias akan mengecil, pembiasan makin efektif
•
Jika frekuensi makin tinggi, pembiasan makin kecil, pada suatu kondisi tertentu tidak dibiaskan lagi tetapi diteruskan
Untuk parameter kondisi tertentu yang konstan dapat didefinisikan sbb :
2
dimana
1 Nmaxq2 fc = 2π mε0 fc = frekuensi kritis
Kondisi Untuk Beberapa Nilai Frekuensi
fc ni = 1− f
2
dimana
1 Nmaxq2 fc = 2π mε0 fc = frekuensi kritis
• f > fc ; indeks bias < 1 dan merupakan bilangan nyata / real ⇒ Terjadi pembiasan biasa, menjauhi garis normal
• f >> fc ; indeks bias ≈ 1 , ⇒ Hampir tidak ada pembiasan, GEM menembus ionosfer tanpa pembelokan
• f < fc ; indeks bias bernilai imajiner ⇒ Tidak terjadi penerusan GEM, seolah GEM mengalami redaman sangat besar, atau GEM dipantulkan kembali ke bumi 15
Frekuensi Kritis Frekuensi kritis adalah frekuensi maksimum GEM masih dipantulkan oleh lapisan ionosfer, jika sudut datang GEM pada ionosfer adalah 0o Untuk propagasi GEM: Jika diinginkan menembus ionosfer harus digunakan f > fc Untuk propagasi gelombang memantul ionosfer harus digunakan f < fc
16
Rumus Frekuensi Kritis… Kritis… Rumus praktis: me = 9,11.10−31kg qe = 1,6.10−19 coulomb 1 10−8 F m 36π Nmax elektron 3 m
ε0 =
1 Nmaxq2 fc = 2π mε0
(
fc ≈ 9 Nmax
)
atau,
fc ≈ 81Nmax
Namun, frekuensi kritis dapat juga didapat
dari hasil rekaman Ionosonde Nachwan Mufti A
17
Ionosonde (Ionospheric Sounding Sounding)) Ionosonde adalah radar frekuensi
tinggi (HF) yang mengirimkan pulsapulsa radio pendek vertikal ke ionosfer. Ionosonde merekam delay waktu antara pengiriman dan penerimaan pulsa. Dengan mengubah-ubah frekuensi pulsa, maka akan didapat rekaman delay waktu dari masing-masing frekuensi
c ∆t h' = 2
h’ = tinggi khayal , ketinggian dimana seolah-olah GEM mulai dipantulkan kembali ke bumi
Sedangkan pengukuran dengan Ionosonde,
menghasilkan juga rekaman parameter yang disebut : Frekuensi Kritis seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya Nachwan Mufti A
18
Pembiasan dan Pantulan Dalam Ionosfer Keywords: Maximum Usable Frequency, jarak skip, konstanta propagasi
19
Pembiasan dan Pantulan Dalam Ionosfer nk
Lapisan Ionosfer
n3 n2 n1 n0
dh
φ1
Tx
Dalam aplikasi siskom sky wave, selalu digunakan sudut datang tak nol
φ0
Rx
Dengan Hk Snellius
n0 sin φ0 = n k sin φk n
0 ≈1
Nachwan Mufti A
sin φ0 = n k sin φk 20
Review… Frekuensi kritis adalah frekuensi maksimum GEM masih dipantulkan oleh lapisan ionosfer, jika sudut datang GEM pada ionosfer adalah 0o Untuk propagasi GEM:
nk
Lapisan Ionosfer
n3 n2 n1 n0
dh
φ1
Tx
Untuk propagasi gelombang memantul ionosfer harus digunakan f < fc
φ0
Rx
n0 sin φ0 = n k sin φk n
0 ≈1
sin φ0 = n k sin φk
Pada suatu ketinggian tertentu, terjadi sudut bias maksimum = 90o , pada saat itu, GEM mulai dipantulkan kembali ke bumi...
sin φ0 = n x sin φx φ
o x =90
sin φ0 = n x 21
Maximum Usable Frequency (MUF) MUF = Maximum Usable Frequency: frekuensi maksimum yang dipantulkan ionosfer pada tinggi khayal tertentu untuk sudut datang = φ0 Frekuensi Kritis: frekuensi maksimum yang dipantulkan ionosfer pada suatu tinggi khayal tertentu untuk sudut datang = 0o, nk
Lapisan Ionosfer
n3 n2 n1 n0
sin φ0 = n x sin φx φ sin φ0 = n x
f n x = sin φ0 = 1 − c f
dh
φ1
Tx
φ0
o x =90
f= Rx
2
fc cosφ0
f = MUF = fc sec φ0
fc ≈ 81Nmax
Maximum Usable Frequency… Jika : fops < MUF dan N < Nmaks • Untuk φ0 konstan
Makin tinggi frekuensi operasi, Maka tinggi khayal yang dicapai makin tinggi, dan jarak yang di capai makin jauh
f3 Nmax φ0 KONSTAN
f2 = MUF
f1 < f 2 < f 3
f1
φ0 Nachwan Mufti A
23
Maximum Usable Frequency… • Untuk fops konstan Nmax f ops KONSTAN φ 0 ' < φ0 < φ0 "
φ0'
φ0"
φ0
Makin besar sudut datang φ0 , Maka akan makin jauh jarak yang ditempuh dan diperlukan tinggi khayal pemantul yang makin rendah
Nachwan Mufti A
24
Jarak Skip Untuk suatu kondisi, dimana pada suatu sudut datang φ0 tertentu minimum, dan fops = MUF Maka,
Jarak di bumi yang ditempuh gelombang disebut Jarak Skip, yang merupakan jarak minimum untuk siskom sky wave
φ0
Nachwan Mufti A
25
Konstanta Propagasi Kontanta Propagasi ionosfer dinyatakan :
γ = jω µ0ε0ε*r = α + jβ
γ = jω µ0ε0ε*r = jω µiεi 1 − j
Nq2υ µ0 αi = 2mω2 ε0
σi ωεi
Jadi dapat disimpulkan, bahwa pada ionosfer :
• Redaman naik jika N meningkat : makin efektif pembiasan, makin besar redaman penyerapan • Redaman kecil untuk m besar : ion-ion tidak berperan dalam redaman penyerapan • Redaman mengecil jika frekuensi makin tinggi : 26 redaman naik untuk frekuensi rendah
Nachwan Mufti A
Desain Komunikasi Ionosfer
27
Frekuensi Operasi... ...komunikasi komunikasi ionosfer Dalam komunikasi sky wave, selalu digunakan frekuensi operasi di bawah MUF pada suatu sudut datang tertentu, namun j harus lebih besar dari suatu frekuensi tertentu (LUF)
Range frekuensi yang boleh digunakan
MUF (Maximum Usable Frequency) FOT (Frequence’ Optimal de Travail) atau OWF ( Optimum Working Frequency )
FOT = 85% MUF LUF (Lowest Useful High Frequency)
Pada umumnya digunakan frekuensi di FOT (Frequence’ Optimal de Travail ) = 85% MUF Nachwan Mufti A
28
FOT dan LUF FOT = Frequence’ Optimal de Travail FOT = 85% MUF, digunakan karena ionosfer yang selalu berubah sepanjang hari, sehingga diperlukan realibilitas yang lebih baik. MUF itu sendiri sering dinyatakan sebagai frekuensi dengan realibility 50 %
LUF (Lowest Useful High Frequency),
mempertimbangkan : Redaman absorbsi ionosfer yang membesar pada frekuensi yang makin rendah, sehingga perlu daya pancar sangat besar yang tidak ekonomis lagi Derau harus lebih kecil dari sinyal Lokasi pemancar dan penerima : mengganggu atau diganggu frekuensi pemancar lain Ijin frekuensi Dimensi antena dan masalah finansial lainnya Nachwan Mufti A
29
Tipikal Kanal Propagasi... ...komunikasi komunikasi ionosfer Fading cukup besar , karena ionosfer
selalu berubah. Diversitas untuk perbaikan yang digunakan adalah : Diversitas ruang Diversitas frekuensi Diversitas polarisasi Diversitas sudut datang. Diversitas ini memerlukan antena dan gain yang sangat besar untuk dapat membedakan sudut kedatangan 30
Geometri Lintasan... Lintasan... Dapat dibuktikan, bahwa pantulan GEM oleh ionosfer ekivalen dengan pantulan oleh titik puncak segitiga dengan tinggi h’ (tinggi khayal) • Jarak dekat : Bumi dianggap datar / flat Jarak d kecil Te
(h')2 + 1 d2 secφ0 =
4
h'
h' Te = titik pantul ekivalen h Tx φ0
Rx d
Nachwan Mufti A
31
Geometri Lintasan... Lintasan... • Jarak Jauh
Kelengkungan bumi dipertimbangkan
Te
d sin 2 R 0 tan φ0 = d h' − cos 1+ h' R0 2 R 0 h
dan,
φ0 Tx
β
d
Te = titik pantul ekivalen β = take off angle R0 = jari-jari bumi = 6370 km Nachwan Mufti A
Rx
sin φ0 =
cosβ h' 1+ R0
dengan,
d β = 90o − φ0 − 57,3 2 R 0 32
Geometri Lintasan... Lintasan... • Jika take off angle dibuat β = 0o, maka jarak satu hop (lompatan) menjadi maksimum, yang dapat dihitung dari rumus-rumus sebelumnya • Dimungkinkan hubungan multihop (lompatan ganda) pada sky wave
Nachwan Mufti A
33
Redaman Propagasi... Propagasi... Redaman pada sky wave terdiri dari 2 macam, yaitu: (1) Redaman penyebaran, dan (2) Redaman penyerapan (absorbsi) • Redaman Penyebaran
Lfs = 32,5 + 20 log f(MHz) + 20 log de( km) de = Jarak ekivalen yang dilalui gelombang EM • Redaman Penyerapan • Pada lapisan D terjadi penyerapan yang terbesar • Redaman oleh lapisan yang lain sebagai fungsi frekuensi dan konsentrasi elektron + molekul gas
Nachwan Mufti A
34
Contoh soal #1: Te
h' h Tx
Rx
φ0 d
Sebuah ionosonde mencatat rata-rata delay terukur sebesar 0,8 ms. Link komunikasi ionosferis didesain dengan menganggap bumi datar, sebagaimana terlihat digambar. Berapa jarak link yang bisa diperoleh jika sudut transmit f0 = 30o, …………. …..km 35
Contoh soal #2: Mahasiswa KP dimininta merancang sistem komunikasi SKY WAVE yang menghubungkan Bandung-Madura (jarak 1.000 km). Percobaan pendahuluan dia lakukan menggunakan antena parabola dan peralatan lainnya. Beam utama antena parabola diarahkan ke zenith (θ=00), dan ia mengirimkan sinyal pulsa impuls ke atmosfer. Pulsa ini dipantulkan kembali oleh atmosfer dan terdeteksi tiba kembali pada 1 mS kemudian. Ia juga memdapatkan data bahwa rapat elektron di atmosfer saat itu adalah 0,111x1012 elektron/m3. Jika tinggi khayal dan rapat elektron atmosfer di mana-mana ia asumsikan sama, tentukan: a. pada sudut berapa beam utama harus ia arahkan sehingga jarak Bandung-Madura bisa ia capai dalam 1 hop. b. Jika frekuensi kerja ia pilih sebesar 0,85 MUF pada sudut yang ia pilih, tentukan frekuensi kerja tersebut! c. Jika loss propagasi ia asumsikan mengikuti loss propagasi free-space, dan antena parabola di Tx dan Rx adalah 30 dBi, tentukan daya pancar yang harus ia sediakan dengan Fading Margin 20 dB! (Rugi akibat konektor dan kabel diabaikan).
36
End Of Modul#9
37
