LOGO KONSEP DASAR ANTENA. DTG3F3 Teknik Antena dan propagasi

LOGO

KONSEP DASAR ANTENA DTG3F3 Teknik Antena dan propagasi

Where Are We?

2

Contents 1

Teorema Resiprositas Carson

2

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi

3

Diagram Arah Antena dan Beamwidth

5

Directivitas, Efisiensi, dan Gain Antena

4

Frekuensi Kerja, Impedansi, VSWR, BW

6

Polarisasi Antena

7

Formula Friss

3

Contents 1


2


3


4


5


6

Polarisasi Antena

7

Formula Friss

4

Teorema Resiprositas Carson Untuk membuktikan bahwa karakteristik antena sebagai pemancar juga berlaku pada antena sebagai penerima. Asumsi dasar Jika, transmisi energi antara antena A dan B yang melalui medium homogen, isotropis, linear, dan pasif, dapat dimodelkan sebagai Rangkaian-T

VA

IB

IA





VB

I1 Antena A dan B sama, fungsinya dipertukarkan sebagai pengirim dan penerima.

I2 Z1

VA



Z2

IB

IA

ZI

5

Z2 Z3

Z3

ZV

Z1

ZI



VB

Teorema Resiprositas Carson Bukti Teorema Carson  ZV  Z I sebagai syarat, misalkan ZV  Z I  0  Dari gambar (a) : VA I1  [ Z1  ( Z 2 // Z 3 )]

I1.Z 3 VA Z 3  Z 2  Z 3 ( Z1Z 2  Z 2 Z 3  Z 3 Z1 )  Dari gambar (b) : VB I2  [ Z 2  ( Z1 // Z 3 )] I .Z VB Z 3 IA  2 3  Z1  Z 3 ( Z1Z 2  Z 2 Z 3  Z 3 Z1 ) IB 

 Jadi jika

VA  VB , maka IA  IB

6

Teorema Carson menyatakan bahwa, Untuk medium transmisi yang homogen dan isotropis, Jika suatu tegangan dipasangkan pada terminal suatu antena A, maka arus yang terukur pada terminal B akan sama ( amplitudo dan fasa ) dengan arus pada terminal A seandainya tegangan yang sama dipasangkan pada terminal B

Parameter/Karakteritik Antena Karakteristik Medan Jauh (Far Field) Antena :

Karakteristik Medan Dekat (Near Field) Antena : 2 3 L

1

R1



 R2



L2 R2  2 l 7



Diagram arah / Pola Radiasi



Lebar berkas / Beamwidth



Direktivitas



Gain



Polarisasi



Impedansi Antena, Return Loss, VSWR



Bandwidth Antena



Efisiensi Antena Daerah 1 : Daerah antena, benda-benda didaerah ini saling mempengaruhi dengan antena ( impedansi dan pola pancar ) Daerah 2 : Daerah medan dekat / daerah Fresnell, di daerah ini medan listrik dan magnet belum transversal penuh Daerah 3 : Daerah medan jauh/daerah fraunhover, di daerah ini, medan listrik dan magnet transversal penuh daan keduanya tegaklurus terhadap arah perambatan gelombang

Contents 1


2


3


5


6

Polarisasi Antena

4


6

Aperture Antena

7

Formula Friss 8

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth Impedansi antena adalah impedansi pada terminal antena atau rasio tegangan terhadap arus pada terminal atau perbandingan komponen medan E dengan komponen medan H pada terminal antena

Im pedansi antena Z a b  Z A  RA  jX A

RA  Rr  RL ZA = antenna impedance at terminals a –b (ohms) RA = antenna resistance at terminals a –b (ohms) XA = antenna reactance at terminals a –b (ohms) Rr = radiation resistance of the antenna RL = loss resistance (Ohmic Resistance) of the antenna Radiation resistance proportional dengan besarnya daya yang di radiasikan oleh antena Loss resistance/Ohmic resistance proportional dengan besarnya daya yang diserap oleh bahan antena dan diubah menjadi panas

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth

Return Loss(dB)

FREKUENSI RESONANSI/FREKUENSI KERJA ANTENA adalah frekuensi Operasi antena dimana antena bekerja paling optimum (amplitudo gelombang yang diradiasikan oleh antena pada frekuensi tersebut paling besar diantara frekuensi lainya)  Antenna dapat dimodelkan sebagai rangkaian “tune Circuit” yang memiliki komponen Resistansi(R), Induktansi(L) dan Kapasitansi (C) Berhubungan dengan Impedansi Antena  Frekuensi resonansi adalah frekuensi antena dimana kapasitansi dan induktansi saling menghilangkan, sehingga impedansi antena bersifat resistif murni

Z A  RA  jX A 1    RA  j L    C   Frekuensi resonansi adalah frekuensi yang menghasilkan bagian reaktansi = 0

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth Return Loss-Impedance Graph

Ansoft LLC

design

75.00

Curve Info dB(St(innerCoax_T1,innerCoax_T1)) Setup1 : Sw eep1 re(Zt(innerCoax_T1,innerCoax_T1)) Setup1 : Sw eep1 im(Zt(innerCoax_T1,innerCoax_T1)) Setup1 : Sw eep1

50.00

Return Loss(dB)

Re{Impedance}

25.00

Im{Impedance}

0.00 Return Loss

-25.00 2.00

2.20

2.40

2.60 Freq [GHz]

2.80

3.00

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth IMPEDANCE BANDWIDTH adalah rentang frekuensi antara frekuensi bawah dengan frekuensi atas pada suatu gelombang termodulasi yang dibatasi oleh VSWR atau Return Loss tertentu VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya pantulan gelombang yang disebabkan tidak matching-nya impedansi input antena dengan saluran feeder

VSWR 

ABW  FH  FL FBW 

FH  FL FH  FL   100% 2

FH FBW  :1 FL

Untuk Bandwidth ≤ 100%

Untuk Bandwidth ≥ 100%

Vmax 1  ( z)  Vmin 1  ( z)

Dimana ( z) adalah koefisien pantul

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth VSWR

Ansoft LLC

design

5.00

Curve Info Name

VSWRt(innerCoax_T1) Setup1 : Sw eep1

Y

m1

2.3798 2.0381

m2

2.4388 2.0030

Name

Delta(X)

Delta(Y)

Slope(Y)

InvSlope(Y)

d( m1,m2)

0.0590

-0.0351

-0.5941

-1.6833

VSWRt(innerCoax_T1)

4.00

X

3.00

m1

2.00

m2

1.00 2.33

2.36

2.38

2.40

2.43 Freq [GHz]

ABW ( Absolute Bandwidth)  FH  FL  0,059Ghz  59Mhz FBW 

FH  FL 2,4388  2,3798 100%  FH  FL  2,4388  2,3798 100%  2,5% 2 2

2.46

2.48

2.50

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth XY Plot 1

Ansoft LLC

design

0.00

Curve Info dB(St(innerCoax_T1,innerCoax_T1)) Setup1 : Sw eep1

-2.50

-5.00

-7.50

Return Loss(dB)

Return Loss

m1

-10.00

m2 Name

-12.50

-15.00

X

Y

m1

2.3782 -9.6291

m2

2.4402 -9.8766

Name

Delta(X)

Delta(Y)

Slope(Y)

InvSlope(Y)

d( m1,m2)

0.0621

-0.2475

-3.9875

-0.2508

-17.50

-20.00

-22.50 2.00

2.20

2.40

2.60 Freq [GHz]

1  v VSWR   v  1 3 1  v Re turn Loss  20 log v  9,5 dB

2.80

3.00

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth Multi Band Antenna

Ultra Wide Antenna

Impedansi,Frekuensi Kerja, dan Bandwidth LATIHAN

 Jika batas return loss yang diperbolehkan adalah -10 dB, maka bandwidth antenna yang memiliki grafik karakteristik seperti gambar disamping adalah__________%  Jika return loss terendah terdapat pada frekuensi 5,3 Ghz sebesar -23 dB, maka VSWR antena pada frekuensi tersebut sebesar_______________

Contents 1


2


3


4


5


6

Polarisasi Antena

7

Formula Friss

17

Dasar Pemahaman  Konsep Sumber Titik Konsep sumber titik berguna dalam lebih memudahkan perhitungan mengenai daya terima, pada medan jauh / tempat yang jauh. Antena dianggap sebagai sumber titik karena dimensinya adalah jauh lebih kecil dari jarak antara antena pengirim dengan titik observasi. Syarat antena sebagai sumber titik  mempunyai medan jauh transversal  Medan magnet tegak lurus medan listrik  Rapat daya P (arus daya) yang menembus bidang bola observasi mengarah radial keluar semuanya  Dengan ekstrapolasi, semua rapat dayanya berasal dari volume yang sangat kecil atau titik O, tidak bergantung pada dimensi r.dq fisiknya

z

r Pr y O dS = r 2 sin q.dq.df

x r sin q.d f 18

Dasar Pemahaman Gelombang EM yang dipancarkan suatu sumber akan merambat ke segala arah. Jika jarak antara pengirim dan penerima sangat jauh (d >> ), maka sumber akan dapat dianggap sebagai sumber titik dan muka gelombang akan berbentuk suatu bidang datar. Muka gelombang/plane wave adalah titik-titik yang memiliki fasa yang sama. Amplitude medan pada bidang muka gelombang untuk medium propagasi yang serbasama adalah bernilai sama pula, karena itu disebut sebagai gelombang uniform / serbasama

sumber

muka gelombang hampir berbentuk bidang datar 19

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi  z

r Pr r.dq y

Konsep Daya Antena Isotropis •

Antena isotropis hanya ada secara hipothetical (teoritis)

•

Pada dasarnya semua antena tidak ada yang memiliki pancaran sama kesegala arah (unisotropic)

O dS = r 2 sin q.dq.df

x r sin q.d f Asumsi dasar

 Antena, sumber dianggap titik dan ditempatkan di O r  Pr radial keluar pada setiap titik bola  Pr dS 20

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi Persamaan Gelombang EM pd medan jauh/Plane Wave di ruang bebas

r  j z E ( z )  E0 e aˆ x



r r j t E ( z , t )  Re E ( z )e



 Re E0 e

Persamaan medan Listrik dalam bentuk phasor / dalam ruang



j t  z 

aˆ y



Persamaan medan listrik dalam ruang dan waktu (riil time)

 E0 cost  z aˆ x r E0   impedansi intrinsik H ( z , t )  cost  z aˆ y  E0 0 

21

H0



0

 377


r r r P r rEr  H

Vektor Pointing dan teorema daya

PZ  E  H 2

E  x 0 cost  z  cost  z  aˆ z  2

E 2  x 0 cos2t  2z  aˆ z Watt m 2  Daya Rata-Rata : 2

T

Pr  Pz ,av

E0 Watt 1   Pz dt  2 m T0 2 22


Penurunan rumus, Jika medium antara antena (bola) tidak meredam, juga tidak menyerap daya, berdasarkan hukum kekekalan energi, maka : Daya yang dipancarkan sumber = Daya total yang menembus bola Dinyatakan,

r r  2 W   Pr .dS    Pr .dS S

dimana, Pr dS W

z

r Pr

0 0

r.dq = rapat daya pada bola = elemen luas = r2.sinq.dq.df = daya yang dipancarkan antena

y O dS = r 2 sin q.dq.df

x r sin q.d f 23

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi Penurunan Rapat Daya Jika O adalah sumber isotropis, maka Pr (rapat daya) akan konstan untuk r konstan

Sehingga,

r r  2 2 Wi   Pr .dS    Pr .r . sin q.dq.df  4r 2 .Pr S

0 0

Maka,

Pr  W

4r 2

!!

 Disimpulkan bahwa rapat daya berbanding terbalik dengan r2 24

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi Radian (rad) dan Steradian (sr)

1 Lingkaran Penuh : 1 Bola Penuh :  Keliling = 2πr  Luas Kulit Bola = 4πr2 2r  Sudut Satu Lingkaran Penuh =  2 rad  Sudut Ruang Satu Bola Penuh r 4r 2 jadi  2 rad  360  2  4 sr(rad2 )  57,3  57,3  4  41253 deg 2 r 360  41253 2 1 rad   57,3 jadi  1 rad  1 sr   3283,3 deg 2 2 4 2 2 2 1 deg  0 , 00031 rad 1   0 , 01745 rad 360 25

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi Intensitas Radiasi (U) Intensitas Radiasi = daya per satuan sudut ruang

Didefinisikan,

Uo  W

4

 Pr .r 2

Dengan berbagai definisi di atas, maka dapat dituliskan ekspresi daya sebagai fungsi dari intensitas radiasi sbb :  2

 2

0 0

0 0

W    U. sin q.dq.df   U. d

dimana, d = sinq.dq.df

Dari ekspresi diatas, dapat disimpulkan bahwa, Daya yang dipancarkan = integrasi intensitas radiasi untuk seluruh sudut ruang 4

Untuk ISOTROPIS Antena Sembarang

: W = 4.Uo [ Uo dalam Watt / radian2 ] : W = 41253.Uo [ Uo dalam Watt / deg2 ] : Uo = U rata2 ( time average ) 26

Teorema Daya dan Intensitas Radiasi LATIHAN

Sebuah antena isotropis memancar di ruang bebas. Pada jarak 175 m dari antena tersebut, diperoleh medan listrik 25 volt/m Hitunglah : (a) rapat daya (Pr) (b) daya yang diradiasikan oleh antena (W) (c) Intensitas Radiasi Antena (U)

27

Contents 1


2


3


4


5


6

Polarisasi Antena

7

Formula Friss

28

Diagram Arah Antena Diagram arah menunjukkan karakteristik pancaran antena ke berbagai arah (pattern), pada r konstan, jauh, sebagai fungsi q dan f

Menurut besaran Macam-macam diagram arah

 Diagram arah Medan (listrik, magnet)  Diagram arah Daya ( P, U )  Diagram arah Fasa

Menurut skala  Diagram arah absolut (dalam besarannya)  Diagram arah relatif ( terhadap referensi )  Diagram arah normal (referensi max = 1 = 0 dB)

29

Diagram Arah Antena

30

Diagram Arah Antena Diagram arah sebenarnya 3 dimensi, tetapi biasa digambarkan sebagai 2 dimensi, yaitu 2 penampangnya saja yang saling tegakl urus berpotongan pada poros mainlobe Em f = 0

q= 0

Um Eq

q=0 1

U

q=0 0 dB B

Diagram arah absolut

Diagram arah relatif

Diagram arah normal

Berbagai istilah dalam diagram arah  Main lobe  Side lobe  Back lobe  BEAMWIDTH

 FBR

= major lobe, lobe utama ; daerah pancaran terbesar = minor lobe, lobe sisi ; daerah pancaran sampingan = lobe belakang ; daerah pancaran belakang = Lebar berkas ; Sudut yang dibatasi ½ daya atau 3 dB atau 0,701 medan maksimum pada Mainlobe = Front to Back Ratio = Main lobe / Back lobe 31

-3 dB

Diagram Arah Antena Plot Polar pola daya radiasi

32

Diagram Arah Antena

(a) Lobe-lobe radiasi antena (pola pancar 3D) (b) Plot linear pola daya radiasi

33

Diagram Arah Antena LATIHAN Radiation Pattern 1

t LLC

HFSSModel1 Curve Info

0 -30

-60

-1.00 -2.00 -3.00 -4.00 -5.00 -6.00 -7.00 -8.00 -9.00 -10.00 -11.00 -12.00 -13.00

dB10normalize(rETotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='10GHz' Phi='0deg'

30

60

-90

90

-120

120

-150

150 -180

Perhatikan Pola pancar normal (power pattern) antena dibawah ini, jika pada arah mainlobe antena memiliki level daya terima sebesar 40 dBm , maka besar level daya terima pada arah sidelobenya sebesar .......................... Watt/st

Diagram Arah Antena LATIHAN Radiation Pattern 1

LLC

HFSSModel1 Curve Info

0 -30

-60

-1.00 -2.00 -3.00 -4.00 -5.00 -6.00 -7.00 -8.00 -9.00 -10.00 -11.00 -12.00 -13.00

dB10normalize(rETotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='10GHz' Phi='90deg'

30

Perhatikan Pola pancar normal (power pattern) antena dibawah ini, besar front to back ratio (FBR) dari antena tersebut sebesar................dB

60

-90

90

-120

120

-150

150 -180

Diagram Arah Antena Diagram Arah Yang direpresentasikan secara matematis

U Untuk 0  q   dan 0    2 1. U   0 Untuk Lainnya 0 U Untuk 0  q   / 2 dan 0    2 2. U   0 Untuk Lainnya 0 U m Cosq Untuk 0  q   dan 0    2 2 3. U   0 Untuk Lainnya U Cosq Untuk 0  q   dan 0    2 4. U   m Untuk Lainnya 0 U m Sinq 5. U   0

Untuk 0  q   dan 0    2 Untuk Lainnya

U m Sinq sin 2  6. U   0 U m sin q cos 2  7. U   0

Untuk 0  q   dan 0     Untuk Lainnya Untuk 0  q   dan     3 2 2 Untuk Lainnya

Beamwidth Antena 

Luas Berkas / Lebar Berkas/ Beamwidth Adalah sudut ruang yang mewakili seluruh daya yang dipancarkan, jika intensitas radiasi = intensitas radiasi maksimum

atau,

1/2 q1/2

f1/2

Seolah-olah antena memancar hanya dalam sudut ruang B dengan intensitas radiasi uniform sebesar Um  W = B.Um

Jika fungsi diagram arah intensitas radiasi dinyatakan oleh : U = Ua.f(q,f)

dimana Ua adalah konstanta

Untuk intensitas maksimum dinyatakan oleh :

Um = Ua. f(q,f)maks  2

 2

0 0

0 0

W  f (q, f).d  f (q, f) B   d Um f (q, f) maks f (q, f) maks

W    U. d    Ua . f q, fd 37

Beamwidth Antena Perhitungan Direktivitas Dengan Cara Pendekatan Lebar Berkas

3dB Beamwidth

Peak - 3dB

60° (eg)

Peak

Peak - 3dB 38

Beamwidth Antena

A. Fungsi sederhana • •

2 (dua) kasus

Unidirectional Direktivitas  10

Selesaikan dengan cara pendekatan B = q1/2 . f1/2 dimana q1/2 dan f1/2 adalah beamwidth menurut 2 bidang  melalui sumbu mainlobe

B. Fungsi tidak sederhana Selesaikan dengan cara matematis !!

f (q, f).d  f (q, f)  B  d f (q, f) maks 39

f (q, f) maks

1/2 q1/2

f1/2

Beamwidth Antena LATIHAN 1 Radiation Pattern 1

C

Radiation PatternHFSSModel1 1

Ansoft LLC

0

0 -30

-60

-1.00 -2.00 -3.00 -4.00 -5.00 -6.00 -7.00 -8.00 -9.00 -10.00 -11.00 -12.00 -13.00

-30

30

Curve Info

dB10normalize(rETotal) -1.00 30 Setup1-2.00 : LastAdaptive Freq='10GHz' Phi='0deg' -3.00 -4.00 -5.00 -6.00 -7.00 -8.00 -9.00 -10.00 -11.00 -12.00 -13.00

-60

60

60

-90

90

-90

90

-120

-120

120

120 -150

HPBW dari antena yang memiliki power pattern seperti -180 2 diatas sebesar___________________deg -150 150 -180

40

150

Beamwidth Antena LATIHAN 2

Hitunglah Beamwidth Antena yang memiliki persamaan intensitas radiasi berikut dengan cara Matematis:

U=

Um.cos q 0

; 0  q  /2 & 0  f  2 ; q, f lainnya

41

Beamwidth Antena Solusi 

a) W 



22

2

2

0

0

  Um. cos q sin q.dq.df  Um  cos q sin qdq  df 0 0



1  1 2  2 2  Um  sin q f0  Um. .2  Um. 2 2 0 B = W/Um =

u  sin q du  cos qdq 

2



2

1 2 cos q sin q d q  u du  u 0 0 2 1  sin 2 q 2

42

Contents 1


2


3


5


6


4


6

Polarisasi Antena

7

Formula Friss 43

Directivitas, Efisiensi, Gain Antena

 Direktivitas Merepresentasikan ‘pengarahan’ antena, semakin besar direktivitas dapat diartikan bahwa lebar berkasnya semakin sempit  directivity of an antenna defined as “the ratio of the radiation intensity in a given direction from the antenna to the radiation intensity averaged over all directions”  If the directionis not specified, the direction of maximum radiation intensity is implied.” Didefinisikan :

D

Um Intensitas Radiasi Maksimum  Uo Intensitas Radiasi Rata  rata

Atau,

Um 4 Pm Em 2 D x   2 Uo 4 Po Eo 44

Directivitas, Efisiensi, Gain Antena 

Hubungan Directivitas dengan Beamwidth

W  4Uo

dan

W  Um.B

Um 4 D  Uo B Catatan :  The directivity of an isotropic source is unity since its power is radiated equally well in all directions  For all other sources, the maximum directivity will always be greater than unity

45

Can The directivity be smaller than unity ???

Directivitas, Efisiensi, Gain Antena Contoh 1 : Penghitungan direktivitas dengan cara eksak:

Pers. diagram arah

Um.cos q 0

U=

; 0  q  /2 & 0  f  2 ; q, f lainnya

Solusi, 22

B = W/Um =

0 0

D = 4/B = 4/  = 4 = 6 dB



W  

  Um. cos q sin q.dq.df 2

2

W    Um. cos q d(cos q)  df 0

0





 Um 2 2  cos q 0 2 f0  .Um 2 46

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena Contoh 2 : Menghitung D dengan pendekatan lebar berkas

U = Um.cos6q

; 0  q  /2

dan 0  f  2

½ Um = Um.cos6 q1/4 q1

1

1

q1 2

f

q1/ 4  cos1 6 1  27,01o 2

4

 q1/2 = 2 x q1/4 = 54,02o 2

1

4 4  (57,3o ) 2 D   14,3 o 2 q1/ 2 .f1/ 2 (54,02 )

2

Dengan cara eksak, didapatkan D = 14,00

Dari contoh di atas, dapat dilihat bahwa untuk antena unidirectional dan direktivitas > 10, hasil pendekatan lebar berkas mendekati hasil perhitungan secara eksak ! 47

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena

 Gain (penguatan)

Antenna

Transmission Line

Wi Gain 

Kutub-4

Wo

daya output Wo  daya input Wi

transmitter

Gain 

PT

PRad

intensitas radiasi maksimum Um  efisiensi  eff intensitas radiasi rata - rata UO

 GAIN antena (pada arah tertentu) “ adalah rasio/perbandingan dari intensitas radiasi suatu antena pada arah tertentu, terhadap intensitas radiasi antena jika daya yang diterima oleh antena tersebut (dari transmitter) diradiasikan secara isotropis.

Gain  4

U intensitas radiasi  4 Win total daya input (daya masuk ke antena)

 gain of the antenna is closely related to the directivity, it is a measure that takes into account the efficiency of the antenna as well as its directional capabilities.  Gain  Relative Gain, Absolute Gain 48

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena

 Gain (penguatan) Relative Gain Didefinisikan, G

Um intensitas radiasi maks suatu antena  Umr intensitas radiasi maks antena referensi dengan daya input sama

Macam-macam referensi :  Isotropis, eff = 100%  dipole ½ l  horn, dll Untuk referensi antena isotropis,

G

Um intensitas radiasi maks suatu antena  Umr intensitas radiasi maks antena isotropis tanpa rugi dengan daya input sama

49

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena Ilustrasi Gain Satuan: dBd and dBi

Ideal radiating dot source (lossless radiator) 2.15dBi

0dBd = 2.15 dBi

Dipole 50

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena Efficiency Antena

W source

W rad

eff (total )  r cd W in

W reflect

Loss karena Diserap Bahan/material(Conductor atau dielectrik) AntenaRadiation Efficiency

Loss karena MissmatchReflection Efficiency

v 

r 

Zin  Z 0 Zin  Z 0

P  Pp  P

 VSWR 

Power yang dikirim dengan beban Rr Power yang dikirim dengan beban Rr  RL Rr  100% Rr  RL

cd 

 1  p

 1  v  1  2

1  1 

Z in  Z 0 Z in  Z 0

2

51

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena Hubungan antara gain dengan directivitas

G  eff .D Jika eff = 100% ( Isotropis ),  Gain = Direktivitas According to the IEEE Standards, “gain does not include losses arising from impedance mismatches (reflection losses) and polarization mismatches (losses).”

G  cd .D Absolute Gain

Gabs   r .cd .D 52

Directivitas, Effisiensi, Gain Antena LATIHAN

Suatu antena memiliki impedansi terminal 100-J54 Ω dan memiliki resistansi Loss sebesar 20 Ω kemudian antenna dicatu menggunakan saluran transmisi dengan impedansi karakteristik 50 Ω, maka efisiensi radiasi sebesar_________________% dan efisiensi refleksi sebesar____________________%

53

Contents 1


2


3


5


6

Polarisasi Antena

4


6

Aperture Antena

7

Formula Friss 54

Polarisasi  Merupakan Arah Orientasi dari vektor medan Listrik (E)  Ingat kembali persamaan medan E

r Arah getar medan E tetap E ( z , t )  E0 cost  z aˆ x r E ( z , t )  E x 0 cost  z  f x aˆ x  E y 0 cost  z  f y aˆ y Persamaan umum :Arah getar medan E berubah-ubah

 Jenis –jenis polarisasi : Linear, Circular (RHCP, LHCP), Ellips Polarisasi Linear

Polarisasi Circular

Syarat ( salah satu ) :  E x 0 ada nilainya; E y 0  0

Syarat :  Ex0  E y 0

 E y 0 ada nilainya; E x 0  0

 1  2n  , n  0,1,2,3...  2  f  f y  f x    1 2  2n  , n  0,1,2,3...

 f  f y  f x  n , n  0,1,2,3....

 

 

RHCP/CW LHCP/CCW

Polarisasi Polarisasi Ellips

Syarat :  Ex0  E y 0

 

 

 1  2n  , n  0,1,2,3...  2  f  f y  f x    1 2  2n  , n  0,1,2,3...

RHCP/CW LHCP/CCW

Polarisasi Beberapa istilah berhubungan dengan polarisasi :  Skala Mayor Axial Ratio  Skala Minor  Tilt Angle  Sense (CW, CCW) TILT ANGLE :adalah sudut yang diukur searah jarum jam antara sumbu reference (disini sumbu y) dengan major axis dari elips Rotation of a plane electromagnetic wave and its polarization ellipse at z=0 as a function of time

AXIAL RATIO 

Major Axis OA  Minor Axix OB

,1  AR  

AR = 1 Polarisasi Circular AR =∞  polarisasi linear 1
Polarisasi Antena Polarisasi Vertical

Polarisasi Slant

Polarisasi Horizontal

58

Polarisasi Antena RHCP

Elips

LHCP

59

Polarisasi Polarization Loss Factor

r r ER  ER aER

r r E A  E Aa A

r ER



 Jika pemasangan antena Rx tidak sesuai dengan polarisasi gelombang, maka daya yang diterima akan lebih kecilterjad “polarization Missmatch”  Untuk orientasi yang sesuai, maka penerimaan daya akan maksimum (polarisasi medan=polarisasi antena) Note : polarisasi antena dilihat saat antena pada transmitting mode  Jika polarisasi membentuk sudut φ dengan polarisasi antena, maka daya terima akan mengalami penurunan yang dinyatakan dengan PLF (Polarization Loss Factor)

r aA r

Contoh : E Reff untuk,  = 60o  PLF = ¼  WR turun 6 dB  = 90o  PLF = 0  WR = 0 

dimana,

r ER  r aA 

vektor medan listrik datang orientasi antena

r r 2 PLF  a ER  a A   cos2 

PLF sangat penting untuk komunikasi bergerak khususnya di ruang angkasa. Manfaat lain yang justru positif adalah untuk penggandaan kanal frekuensi 60

Polarisasi

WHY??

Polarisasi

Video!!!

Contents 1


2


3


5


6

Polarisasi Antena

4


6

Aperture Antena

7

Formula Friss 63

Konsep Aperture Antena Konsep aperture antena berasal dari anggapan bahwa antena sebagai luas bidang yang menerima daya dari gelombang radio yang melaluinya

 Misalkan pada antena corong. Rapat daya pada permukaan corong P (watt/m2). Jika mulut corong dapat menerima daya melalui mulut A semuanya, maka daya yang berhasil diserap oleh antena dari gelombang r r EM adalah :

r r r E E E r P Er Er Er

Wr = P  A = P.A cos 

A

r r r H H H

r P

r r r HH H

r P

Wr

dengan  adalah arah orientasi antena terhadap arah vektor rapat daya. Umumnya orientasi antena dibuat sesuai polarisasi gelombang, sehingga terjadi penerimaan maksimum (’ = 0)

 Jadi “ Daya yang ditangkap antena berbanding lurus dengan luas aperture-nya”. Dalam praktek, luas tersebut 0,5 – 0,7 luas sebenarnya. Hal ini berhubungan dengan terbaginya daya dari GEM menjadi bagian –bagian yang hilang sebagai panas, dipancarkan kembali, dll. Sehingga ada beberapa macam aperture : Aperture efektif, aperture rugi-rugi, aperture pengumpul, aperture hambur, dll 64

Konsep Aperture Antena Jika suatu antena menerima daya, maka dapat dibayangkan antena seolah-olah mempunyai aperture yang luasnya adalah daya tersebut dibagi dengan rapat daya gelombang yang datang pada antena. Dinyatakan :

AW

P

(meter persegi)

a. Aperture Efektif b. Aperture Rugi-Rugi

Aperture antena

c. Aperture Hambur d. Aperture Pengumpul e. Aperture Fisis 65

Konsep Aperture Antena Jika antena ditempatkan pada medan EM dan dibebani oleh beban terminasi Z T . Untuk harga-harga rms dari arus, tegangan, maka :

I

V Z A  ZT

r P

ZT

ZT  R T  jXT ZA  R A  jX A RA  Rr  RL

Antena dgn beban

Rr = tahanan pancar RL = tahanan rugi ohmic antena

I 

I

W  I2R

V ( Rr  RL  RT ) 2  ( X A  X T ) 2

66

ZT

V Rangkaian ekivalen

V2R W (R r  R L  R T ) 2  (X A  X T ) 2

W V2R Aperture   P P (R r  R L  R T ) 2  (X A  X T ) 2



ZA



Konsep Aperture Antena Kasus-Kasus

A. Aperture Efektif •

RT mewakili daya yang berguna bagi penerimaan, sehingga :

WT V2R T Ae   P P. (R r  R L  R T ) 2  (X A  X T ) 2



•



Ae mencapai harga maksimum pada orientasi penerimaan maksimum ( = 0 ), tidak terjadi cross polarisasi, matched ( Z  Z* ), dan tidak ada rugi-rugi ohmic antena ( RL= 0 ) T

A

WT ' V2 V2 Aem    P 4P.R r 4P.R T •

Effectiveness Ratio (  ) , sering juga disebut sebagai efisiensi antena :

  Ae

Aem

dengan 0   1

67

Konsep Aperture Antena B. Aperture Hambur (Scattereing Apperture) •

Rr mewakili daya yang diradiasikan kembali ke ruang bebas

WS V2R r AS   P P. (R r  R L  R T ) 2  (X A  XT ) 2



•

Jika orientasi antena maksimum, tidak terjadi cross polarisasi, antena lossless , dan MATCHED, maka :

V2 V2 As '   4P.Rr 4P.RT •

As’ = apperture hambur matched

Jika orientasi antena maksimum, tidak terjadi cross polarisasi, antena lossless , dan Resonant Short Circuit (RSC), maka :

V2 V2 Asm    4 Aem P.Rr P.RT •



Asm= apperture hambur maksimum

SCATTERING RATIO, perbandingan hambur

  As

Ae

0 68

Konsep Aperture Antena E. Aperture Fisis ( Loss Apperture ) •

Apertur Fisis (Ap) merupakan luas maksimum tampak depan antena dari arah rapat daya

•

Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, luas aperture fisis ini sangat menentukan, tapi untuk beberapa antena lainnya tidak berarti samasekali

r P

Ap

D 2 Ap  4 •

r P

L

d 2 Ap  4 d

Ap = Ld

r P

ABSORBTION RATIO : perbandingan antara apertur efektif maksimum dengan apertur fisis

Aem  Ap

0 69

Konsep Aperture Antena C. Aperture Rugi-Rugi ( Loss Apperture )

• RL mewakili daya yang hilang sebagai panas, sehingga :

WL V2R L AL   P P. (R r  R L  R T ) 2  (X A  X T ) 2





D. Aperture Pengumpul (Collector Apperture )

• Apertur pengumpul adalah jumlah Ae, As, dan AL

V 2 (R r  R L  R T ) AC  P. (R r  R L  R T ) 2  (X A  XT ) 2



70



Konsep Aperture Antena Summary

r P

ZT

ZA

ZT  R T  jXT Z A  ( Rr  RL )  jX A

Pada kondisi umum: 1. Orientasi Antena Maksimum 2. Polarisasi Match/tidak terjadi cross polarisasi

Pada kondisi Tidak ada rugi-rugi ohmic (RL=0)

Pada kondisi ada rugi-rugi ohmic (RL≠0)

MATCH (Rr=RT)(XA=-XT)

RSC (RT=0)(XA=-XT)

Ae=Aem As=Aem AL=0

Ae=0 As=4Aem=Asm AL=0

OC (RT=∞)(XT=∞) Ae=0 As=0 AL=0

71

Ae=ada As=ada AL=ada

Konsep Aperture Antena Hubungan Apertur Dengan Direktivitas •

Hubungan apertur dengan direktivitas adalah berbanding lurus, dinyatakan :

D1 Aem1  D2 Aem2 •

Jika ada rugi-rugi ohmic dan tidak MATCHED sempurna,

G = eff. D

G1 D1eff 1 eff 1  Aem1 Ae1    G 2 D2eff 2 eff 2  Aem2 Ae2

eff =  = EFECTIVENESS RATIO •

Untuk antena isotropis, Diso = 1 , maka :

Sehingga,

Diso Aemiso  DX Aem X

DX 

4 Aem X 2 l

Aem isotropis diketahui dengan mengambil antena 2 adalah dipole pendek,

Aem 2 

3 2 l dan D2 = 3/2 = 1,5 8

l2 Aemiso  4

!! 72

Konsep Aperture Antena Hubungan Apertur Dengan Direktivitas

DX 

4 Aem X 2 l

Rumus di atas cukup penting untuk menghitung direktivitas antena jika aperturnya diketahui !!

Antena Isotropis Dipole pendek Dipole l/2

Aem l2/(4) = 0,79l2 3l2/(8) = 0,119l2

D 1 1,5

D (dB) 0 1,76

30l2/(73) = 0,79l2

1,64

2,14

73

Content 1


2


3


5


6

Polarisasi Antena

4


6

Aperture Antena

7

Formula Friss 74

Rumus Transmisi Friss Tujuan



Menghitung transfer daya dari Tx ke Rx Rx

Tx Isotropis

• Asumsi / syarat :

2

r  2L

l

a. Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ; b. Medium tidak meredam c. Tak ada multipath dari refleksi

• Rapat daya pada penerima Rx, ( Pr ) :

Pr  WT

4r

2

dimana, WT = daya pancar pengirim

WR  Pr .Ae R  Ae R WT

4r 2

AeR = aperture efektif antena penerima WR = daya yang diterima Rx

75

Rumus Transmisi Friss • Jika Tx memiliki direktivitas DT, maka : Tx

Rx

pathloss

WR  Pr .Ae R  Ae R WT Sehingga,

WR Ae R .DT  WT 4r 2 WR

WT



4r 2

DT 

4 Ae T 2 l

WR  DT .WT Ae R

4r 2

WR AeR .AeT  WT l2 r 2

Redaman lintasan (path loss) jika pada Tx dan Rx digunakan antena

referensi ( umumnya isotropis ) dan biasa dinyatakan dalam dB

Rumus Transmisi Friss • Redaman Lintasan

Tx

 WT   dB Lp  10 log  WR 

Isotropis

 l2 .r 2  dengan l2   10 log AeT  Ae R  4  AeT .Ae R  2 2   4  r 4      2 2 dB  10 log   10 log   f  r   l   c  

Isotropis

Rx

( isotropis )

Lp = 32,5 + 20 log fMHz + 20 log rkm (dB)

Lp = 92,45 + 20 log fGHz + 20 log rkm •

Redaman lintasan atau pathloss disebut juga dengan redaman ruang bebas / FSL (free space loss), terjadi bukan karena penyerapan daya tetapi karena penyebaran daya

Soal

 Luas penampang antena parabola pada frekuensi 4.5 GHz dengan directivity 35 dB, efisiensi 70%, dan absorbtion ratio 100% adalah ___________________  Suatu antena conical horn memilki diameter 10 cm, dengan efisiensi aperture (absorbtion ratio) 60%, memilki direktivitas sebesar..............dB  Dua buah antenna masing-masing memiliki aperture efektif 0,2 λ2 m2 dan 0,45 λ2 m2 jika gain antenna pertama 8 dB, maka gain antenna kedua sebesar_______________dB  Sebutkan syarat-syarat suatu antenna memiliki aperture efektif maksimum!  Antena dipole λ/2 dengan diameter 10 mm, dipasang vertikal terhadap arah rapat daya yang datang, tentukan aperture phisis antenna tersebut?

Soal





Suatu link komunikasi LOS jarak 20 km beroperasi pada frekuensi 6 Ghz dan daya pemancar 5 watt. Redaman saluran transmisi pada transmitter dan pada receiver masing masing 5dB dan 3 dB dan receiver bekerja pada signal minimal -60 dBm. a) Hitung redaman lintasan (path loss) hubungan link tersebut! b) Jika antenna yang digunakan pada kedua site sama, berapakah luas aperture efektif antenna minimum yang dibutuhkan? Berapakah daya terima maksimum pada jarak 0,5 km pada freespace 1 Ghz jika perangkat transmitter yang digunakan memiliki gain antenna 25 dBi dan gain antenna receiver 20 dBi. input transmitter adalah 150 Watt?

Questions???

80

LOGO

LOGO KONSEP DASAR ANTENA. DTG3F3 Teknik Antena dan propagasi

Recommend Documents