Modul #02. Konsep Dasar Antena. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2008

Modul #02 TE 3423 ANTENA DAN PROPAGASI

Konsep p Dasar Antena Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi gg Teknologi g Telkom Bandung – 2008

Modul 2 Konsep Dasar Antena • A. Dasar pemahaman

page 3

• B. Teorema daya dan intensitas radio

page 7

• C. Karakteristik antena pemancar

page 12

• D. Konsep Apertur Antena

page 25

• E. Rumus transmisi Friis

page 37

• F. Polarisasi

page 40

• G. Temperatur antena

page 41

• H. Kesimpulan modul 2

page 42

TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

2

A. Dasar Pemahaman ¾ Konsep K Sumber S b 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.

S Syarat t antena t sebagai b i sumber b titik Æ mempunyai medan jauh transversal Æ Medan magnet tegak lurus medan Elektrik Æ Rapat daya P (arus daya) yang menembus bidang bola observasi mengarah radial keluar semuanya Æ Dengan ekstrapolasi, semua rapat dayanya berasal dari volume yang sangat kecil atau titik O, tidak bergantung pada dimensi fisiknya

z

r Pr r.dθ y O dS = r 2 sin θ.dθ.dφ

x r sin θ.d φ


3

A. Dasar Pemahaman Definisi sumber titik, Sumber titik adalah titik potong semua rapat daya di tempat jauh Untuk mengetahui g distribusi medan/daya y di tempat p jjauh,, maka dilakukan pengukuran pada pada jarak R konstan. Sumber titik berlaku untuk medan jauh, dengan persyaratan : Æ R>>λ, R>>d, dan R>>b

Pengukuran,

Ante na m e m e nuhi volum e de ngan jari-jari jari jari b

M O

b R

(a) sumber titik berimpit dengan pusat bola M

Pengukuran medan dan rapat daya, pengukuran pada bola dengan R konstan, dengan titik pusat bola observasi berimpit pada “sumber titik “, dapat dilakukan p pada satu titik ukur, tetapi p antenanya y y yang g diputar satu lingkaran penuh Untuk polarisasi eliptik, perlu diukur komponennya (amplitudo dan fasa). Pengukuran fasa perlu M berimpit O, untuk menghindari beda fasa relatif. TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

O M

b

d

R

(b) sumber titik berjarak terhadap pusat bola M

4

A. Dasar Pemahaman ¾ Teorema Resiprositas Carson Untuk membuktikan bahwa karakteristik antena sebagai pemancar juga berlaku pada antena sebagai penerima. penerima (a)

(b)

Asumsi dasar Jika, transmisi energi antara antena A dan B yang melalui medium homogen, isotropis, linear, dan pasif, dapat dimodelkan sebagai Rangkaian-T Antena A dan B sama, sama fungsinya dipertukarkan sebagai pengirim dan penerima penerima.

VA

IB

IA

∼

∼

I1

∼ ZV

I2 Z1

VA

VB

Z2

IB

IA

Z1

Z2 Z3

Z3

ZI


∼ VB

ZI

5

A. Dasar Pemahaman Bukti teorema Carson Æ Z V = Z A sebagai syarat, misalkan Z V = Z A = 0 Æ Dari gambar (a) : I1 =

VA [ Z1 + ( Z 2 // Z 3 )]

Untuk medium transmisi yang homogen dan isotropis,

I .Z VA Z 3 IB = 1 3 = Z 3 + Z 2 ( Z1 Z 2 + Z 2 Z 3 + Z 3 Z1 ) Æ Dari gambar (b) : VB I2 = [ Z 2 + ( Z1 // Z 3 )] IA =

I 2 .Z 3 VB Z 3 = Z1 + Z 3 ( Z1 Z 2 + Z 2 Z 3 + Z 3 Z 1 )

Æ Jadi jika

VA = VB , maka IA = IB

Teorema Carson menyatakan bahwa,

!!

Jika suatu tegangan dipasangkan p g ppada terminal suatu antena A, maka arus yang sama ( amplitudo dan fasa ) akan diperoleh pada terminal A seandainya tegangan yang sama dipasangkan pada terminal B


6

B. Teorema Daya dan Intensitas Radiasi z

r Pr r.d θ

O x r sin θ.d φ

Asumsi dasar

¾ Konsep Daya Antena Isotropis

• Antena isotropis hanya ada secara hipothetical (teoritis) y • Pada dasarnya semua antena tidak ada yang 2 dS = r sin θ.d θ.d φ memiliki pancaran sama kesegala arah (unisotropic)

sumber dianggap titik dan ditempatkan di O • Antena, r • Pr radial keluar pada setiap titik bola •

Pr ⊥dS atau Pr // d S TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

7

B. Teorema Daya dan Intensitas Radiasi Penurunan rumus, Jika medium antara antena (bola) tidak meredam, juga tidak menyerap y p daya, y , berdasarkan hukum kekekalan energi, g , maka : Daya yang dipancarkan sumber = Daya total yang menembus bola

Dinyatakan, Dinyatakan

r r π 2π W = ∫ Pr .dS = ∫ ∫ Pr .dS S

0 0

z

!!

r Pr r.d θ

dimana, Pr = rapat daya pada bola dS = elemen luas = r2.sinθ.dθ.dφ W = daya yang dipancarkan antena

y O dS = r 2 sin θ.d θ.d φ

x r sin θ.d φ TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

8

B. Teorema Daya dan Intensitas Radiasi P Penurunan rumus selanjutnya... l j t Penurunan Rapat Daya Jika k O adalah sumber isotropis, maka k Pr (rapat ( daya) d ) akan k konstan k untuk r konstan Sehingga Sehingga,

r r π 2π Wi = ∫ Pr .dS = ∫ ∫ Pr .r 2 . sin θ .dθ .dφ = 4πr 2 .Pr S

0 0

Maka,

Pr = W

4πr

2

!!

Æ Disimpulkan bahwa rapat daya berbanding terbalik dengan r2 TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

9

B. Teorema Daya dan Intensitas Radiasi I t it R Intensitas Radiasi di i (U) Intensitas Radiasi = daya per satuan sudut ruang Didefinisikan,

U = Pr .r 2 = W

4π

Dengan berbagai definisi di atas, maka dapat p dituliskan ekspresi p daya y sebagai g fungsi dari intensitas radiasi sbb : π 2π

π 2π

0 0

0 0

W = ∫ ∫ U. sin θ.dθ.dφ = ∫ ∫ U. dΩ dimana, dΩ = sinθ.dθ.dφ

1 rad2 = 57,3o x 57,3o = 3283,3 deg2 4πrad2 = 4π x 57,3o x 57,3o = 41253 deg2


10

B. Teorema Daya dan Intensitas Radiasi π 2π

π 2π

0 0

0 0

W = ∫ ∫ U. sin θ.dθ.dφ = ∫ ∫ U. dΩ

!!

Dari ekspresi diatas, dapat disimpulkan bahwa, Daya yang di D dipancarkan k = integrasi i t i intensitas i t it radiasi di i untuk t k seluruh sudut ruang 4π Sr Untuk ISOTROPIS Antena Sembarang

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


11

C. Karakteristik Antena Pemancar Karakteristik antena yang diturunkan sebagai sumber / pemancar dapat dibuktikan berlaku pula sebagai penerima, hal ini dijelaskan menurut Teorema Resiprositas CARSON 9 Diagram arah 9 Diagram fasa

Karakteristik antena :

9 Gain 9 Direktivitas 9 Lebar berkas


12

C. Karakteristik Antena Pemancar

¾ Diagram Arah Diagram arah menunjukkan karakteristik pancaran antena ke berbagai arah (pattern) (pattern), pada r konstan, konstan jauh jauh, sebagai fungsi θ dan φ Menurut besaran

Macam-macam diagram arah

Æ Diagram arah Medan (listrik, magnet) Æ Diagram arah Daya ( P, P U) Æ Diagram arah Fasa Menurut skala Æ Diagram arah absolut (dalam besarannya) Æ Diagram arah relatif ( terhadap refrensi ) Æ Diagram arah normal (referensi max = 1 = 0 dB)


13

C. Karakteristik Antena Pemancar Diagram arah sebenarnya 3 dimensi dimensi, tetapi biasa digambarkan sebagai 2 dimensi, yaitu 2 penampangnya saja yang saling tegaklurus berpotongan pada poros mainlobe Em φ = 0

θ= 0

Um Eθ

θ=0 1

U

θ=0 0 dB

-3 dB

B

Diagram arah absolut

Diagram arah relatif

Diagram arah normal

Berbagai istilah dalam diagram arah

Æ Main lobe = major j lobe, lobe utama ; daerah p pancaran terbesar Æ Side lobe = minor lobe, lobe sisi ; daerah pancaran sampingan Æ Back lobe = lobe belakang ; daerah pancaran belakang Æ BEAMWIDTH = Lebar berkas ; Sudut yang dibatasi ½ daya atau -3 dB atau 0,707 medan maksimum pada Mainlobe Æ FBR = Front to Back Ratio = Main lobe / Back lobe TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

14


15


(a) Lobe-lobe radiasi antena (pola pancar 3D) (b) Plot Pl linear li pola l daya d radiasi di i Sumber : Balanis, A Constantin,” Antenna Theory, Analysis and Design”, Harper & Row Publisher, 1982 (halaman 21)

Beamwidth

3dB Beamwidth Peak - 3dB

60° (eg)

Peak

Peak - 3dB


17


¾ Diagram Di F Fasa Seperti juga pada diagram arah, dapat diambil penampang diagram fasa 3-dimensi , ataupun plot linearnya Untuk bentuk periodik dengan frekuensi tertentu, tertentu medan jauh diketahui selengkapnya jika diketahui : • Amplitudo Eθ sebagai fungsi dari r, θ, φ • Amplitudo A li d Hφ sebagai b i fungsi f i dari d i r, θ, θ φ • Beda fasa δ antara Eθ dan Hφ sebagai fungsi dari θ, φ, dengan r konstan • Beda fasa η antara Eθ dan Hφ terhadap harganya pada titik referensi, sebagai fungsi dari θ, φ, dengan r konstan


18


¾ Direktivitas Merepresentasikan ‘pengarahan’ antena, semakin besar direktivitas dapat diartikan bahwa lebar berkasnya semakin sempit Didefinisikan : Um Intensitas Radiasi Maksimum D≡ = Uo Intensitas Radiasi Rata − rata

!!

Atau, Um 4π Wm Em 2 D≡ = = x Uo 4π Wo Eo 2


19

C. Karakteristik Antena Pemancar Jika fungsi diagram arah antena diketahui, diketahui maka direktivitas dapat dihitung secara eksak Contoh 1 : Penghitungan direktivitas dengan cara eksak: Pers. diagram arah U=

Solusi,

W =

Um.cos θ 0 π

; 0 ≤ θ ≤ π/2 & 0 ≤ φ ≤ 2π ; θ, φ lainnya

22π

∫ ∫ Um. cos θ sin θ.dθ.dφ 0 0 π 2

(pers 1)

W = π.Um

!! (pers 2) Definisi

W= 4π.Uo

2π

W = − ∫ Um U . cos θ d (cos ( θ) ∫ dφ 0

0

[

D = Um/Uo = 4π/π = 4 = 6 dB

]

π Um 2π 2 =− cos θ 0 2 [φ ]0 = π.Um (pers 1) 2


20

Latihan ! Jika diketahui

Pers. diagram arah

U=

1. 2. 3. 4. 5 5.

Um.cos6 θ 0

; 0 ≤ θ ≤ π/2 & 0 ≤ φ ≤ 2π ; θ,, φ lainnya y

Ilustrasikan pola radiasinya ! Hitung Directivitas nya secara eksak ! Hitung g HPBW-nya y ! Hitung Directivitas nya secara pendekatan ! Berapkah prosentase kesalahan (%) ! TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

21


Pers. diagram arah

U=

1. 2. 3. 4. 5 5.

Um.sin2 θ 0

; 0 ≤ θ ≤ π & 0 ≤ φ ≤ 2π ; θ,, φ lainnya y

Ilustrasikan pola radiasinya ! Hitung Directivitas nya secara eksak ! Hitung g HPBW-nya y ! Hitung Directivitas nya secara pendekatan ! Berapkah prosentase kesalahan (%) TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

22


Pers. diagram arah

U=

U m . sin 3 θ . cos 4 φ ; 0 ≤ θ ≤ π & -π/2 ≤ φ ≤ π/2

0

1. 2. 3. 4. 5 5.

; θ, φ lainnya

Ilustrasikan pola radiasinya ! Hitung HPBW-nya ! Hitung g Directivitas nya y secara eksak ! Hitung Directivitas nya secara pendekatan ! Berapkah prosentase kesalahan (%) TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

23


¾ Gain (penguatan) K-4

Wi

Wo

G = Wo/Wi

Didefinisikan,

G≡

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

Macam-macam referensi :

Æ Isotropis, ηeff = 100% Æ dipole ½ λ Æ horn, dll Untuk referensi antena isotropis,

G≡

intensitas radiasi maks suatu antena Um = p tanpa p rugi g Umr intensitas radiasi maks antena isotropis dengan daya input sama TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

24

Ilustrasi Gain Antena (Pemancar/Penerima) Satuan: dBd and dBi

Ideal radiating dot source (lossless radiator) 2.14dBi

0dBd = 2.14 2 14 dBi

Di l Dipole TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

25

C. Karakteristik Antena Pemancar Hubungan antara gain dengan direktivitas

G = ηeff .D

!!

Jika ηeff = 100% ( contoh Isotropis ) Æ Gain = Direktivitas Kadang-kadang Gain dan Direktivitas dinyatakan untuk arah tertentu / fungsi dari diagram arah. D ( θ, φ ) =

U D Um

dan

G ( θ, φ ) =

U G Um

G dan D biasanya dinyatakan dalam dB DdB = 10 log D [dB] dan GdB = 10 log G [dB] Îtergantung antena referensi (dBi, dBd)


26

C. Karakteristik Antena Pemancar ¾ Luas Berkas / Lebar Berkas/ Beam Area Adalah sudut ruang yang mewakili seluruh daya yang dipancarkan, jika intensitas radiasi = intensitas radiasi maksimum

atau, Seolah olah antena memancar hanya dalam sudut Seolah-olah ruang B dengan intensitas radiasi uniform sebesar Um Æ W

= B.Um

Kaitan Antara Direktivitas Dengan Lebar Berkas ( Perhitungan pendekatan !! ) Jik ffungsii di Jika diagram arah h iintensitas t it radiasi di i dinyatakan di t k oleh l h: U = Ua.f(θ,φ)

dimana Ua adalah konstanta

Untuk intensitas maksimum dinyatakan y oleh : Um = Ua. f(θ,φ)maks TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

27

C. Karakteristik Antena Pemancar Intensitas rata rata-rata rata dinyatakan di t k oleh l h: W Uo = = 4π

∫∫ Ua.f (θ, φ).dΩ

dengan, W = daya yang dipancarkan dΩ = sinθ.dθ.dφ φ

4π

Dari definisi, kemudian direktivitas dapat dinyatakan oleh :

U Um D= = Uo Jika Maka,,

D=

Ua. f (θ , φ ) maks

∫∫Ua. f (θ , φ ).dΩ

= 4π

4π

∫∫ f (θ , φ ).dΩ

4π B

Lihat definisi sebelumnya !!

f (θ , φ ) maks

W = 4πUo dan

f (θ, φ).dΩ ∫∫ f (θ, φ) ∫∫ dΩ B= = f (θ, φ) maks

f (θ, φ) maks

!!

W = Um.B

Um 4π D≡ = Uo B


!! 28

C. Karakteristik Antena Pemancar f (θ, φ).dΩ ∫∫ f (θ, φ) ∫∫ B= = dΩ f (θ, φ) maks

f (θ, φ) maks

B = ∫∫ f (θ, φ) normal .dΩ Dapat juga dinyatakan dinyatakan...

f(θ,φ)normal = fungsi normal diagram arah

Perhitungan Direktivitas Dengan Cara Pendekatan Lebar Berkas 2 (dua) kasus

!!

A. Fungsi sederhana • Unidirectional • Direktivitas ≥ 10

D=

4π 4π ≈ B θ1/ 2 .φ1/ 2

!!

θ1/2 dan φ1/2 adalah beamwidth menurut 2 bidang ⊥ melalui sumbu mainlobe B Fungsi tidak sederhana B. Selesaikan dengan cara grafis !!

f (θ, φ)).dΩ ∫∫ f (θ, φ) ∫∫ B= = dΩ f (θ, φ) maks

f (θ, φ) maks

dan

Um 4π D≡ = Uo B


!! 29

C. Karakteristik Antena Pemancar C t h 2 : Menghitung Contoh M hit Dd dengan pendekatan d k t llebar b b berkas k U = Um.cos6θ

; 0 ≤ θ ≤ π/2

dan 0 ≤ φ ≤ 2π

6θ ½U Um = Um.cos U 1/4

θ1

1

1

θ1 2

φ

θ1/ 4 = cos −1 6 1 = 27,01o 2

4

Æ θ1/2 = 2 x θ1/4 = 54,02oÆ Φ1/2 = θ1/2 = 54,02o 2

1

2

4π 4π × (57,3o ) 2 D= ≈ 14,3 = o 2 θ 1 / 2 .φ1 / 2 (54,02 ) 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 p g secara eksak ! TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

30

C. Karakteristik Antena Pemancar Cara Grafis Untuk Menghitung Direktivitas Ketelitian hasil perhitungan ditentukan oleh ketelitian mendapatkan lebar berkas ( B )

Jika batas-batas : θ0 ≥ θ ≥ 0

B=

dan φo ≥ φ ≥ 0, maka :

φo θo

f (θ, φ) ∫0 ∫0 f (θ, φ) maks sin θ.dθ.dφ dapat diuraikan sebagai berikut :

f (θ, φ) = F1(φ).f1(θ) + F2(φ).f2(θ) + ………..dst f (θ, φ) maks φ0

θ0

φ0

θ0

0

0

0

0

B = ∫ F1 (φ)dφ. ∫ f1 (θ). sin θ.dθ + ∫ F2 (φ)dφ. ∫ f 2 (θ). sin θ.dθ + ......dst ( konvergen )


31

C. Karakteristik Antena Pemancar B = a1b1 + a2b2 + …. dst = dimana

4π ∑i aibi ⇒D = B θ0

φ0

a i = ∫ Fi (φ).dφ

dan

b i = ∫ f i (θ).dθ 0

0

Selanjutnya integrasi gambar,

Fi (φ)

f i (θ) sin θ

bi

Ketelitian hasil ditentukan oleh ketelitian penggambaran Fi(φ) dan fi(θ)sinθ, serta perhitungan p g luasnya y (dalam kertas milimeter)

ai

0

φ0

0

θ0


32

D. Konsep Aperture Antena Konsep onsep aperture ape tu e antena berasal be asal dari da i anggapan bahwa a antena te a sebagai luas bidang bida g yang menerima daya dari gelombang radio yang melaluinya • Misalkan pada antena corong. Rapat daya pada permukaan corong P ( tt/ 2). (watt/m ) Jika Jik mulut l t corong dapat d t menerima daya melalui mulut A semuanya, maka daya yang berhasil diserap oleh antena dari gelombang EM adalah :

r r r E E E r r r r P E E E

r r Wr = P • A = P.A cos α

A

r r r H H H

r P r r r HH H

r P

Wr

dengan α adalah arah orientasi antena terhadap arah vektor rapat daya. Umumnya orientasi i t i antena t dibuat dib t sesuaii polarisasi l i i gelombang, sehingga terjadi penerimaan maksimum (α’ = 0)

• Jadi “ Daya yang ditangkap antena berbanding lurus dengan luas aperture aperture-nya 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 Se gga ada bebe beberapa apa macam aca ape aperture tu e : Aperture efektif, aperture rugi rugi-rugi, rugi, aperture pengumpul, aperture hambur, dll TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

33

D. 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 (meter persegi) P a Aperture Efektif a. b. Aperture Rugi-Rugi

Aperture antena

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


34

D. 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

r P

ZT

ZT = R T + jX T

V I= Z A + ZT

ZA = R A + jX A RA = Rr + RL

Antena dgn beban

ZA

ZT

V Rangkaian ekivalen

Rr = tahanan pancar RL = ta tahanan a a rugi ug o ohmic c antena a te a

I=

W = I2R

V (R r + R L + R T ) 2 + (X A + X T ) 2

V 2R 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

{

}


35

D. Konsep Aperture Antena Kasus-Kasus A. Aperture Efektif • RT mewakili daya yang berguna bagi penerimaan, sehingga :

WT V 2R T Ae = = P. ( R r + R L + R T ) 2 + ( X A + X T ) 2 P

{

}

• Ae mencapai harga maksimum pada orientasi penerimaan maksimum (α = 0 ), matched ( Z T = Z A* ), dan tidak ada rugi-rugi ohmic antena ( RL= 0 )

WT ' V2 V2 Aem = = = P 4 P.Rr 4 P.RT • Effectiveness Ratio ( η ) , sering juga disebut sebagai efisiensi antena :

η = Ae Aem

d dengan 0≤ η ≤ 1

Daya yang termanfaatkan / sampai pada pesawat penerima akan kurang dari WT, jika saluran transmisi memberikan redaman, contoh antena batang pendek biasa memiliki panjang j efektif f k if 70 % dari d i panjang j sebenarnya. b TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

36

D. Konsep Aperture Antena B Aperture Hambur (Scattereing Apperture) B. • Rr mewakili daya yang diradiasikan kembali ke ruang bebas

WS V 2R r AS = = P P. (R r + R L + R T ) 2 + (X A + X T ) 2

{

}

• Jika RL = 0 ( antena lossless ), dan Rr = RT, dan XT = - XA (MATCHED), maka

V2 V2 As' = = 4P.R r 4P.R T

As’ = apperture hambur matched

Sehingga Asm = 4 x As As’ atau Asm = 4 x Aem. Aem Dalam hal ini, misalnya antena dipakai sebagai elemen parasit, seperti pada yagi atau juga sebagai elemen pemantul, seperti pada paraboloidal antena.

• SCATTERING RATIO, perbandingan hambur

β = As

Ae

0≤β≤∞


37

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

• RL mewakili daya yang hilang sebagai panas, sehingga :

WL V 2R 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 + X T ) 2

{

}


38

D. Konsep Aperture Antena E. Aperture Fisis ( Phisics Apperture )

• Apertur Fisis (Ap) merupakan luas maksimum tampak depan antena dari arah rapat daya • Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, celah luas aperture fisis ini sangat menentukan, tapi untuk beberapa antena lainnya tidak berarti samasekali

r P

Ap

πD 2 Ap = 4

r P

L

πd 2 Ap = 4 d

Ap = Ld

r P

• ABSORBTION RATIO : perbandingan antara apertur efektif maksimum dengan apertur fisis

Aem γ= Ap

0≤γ≤∞


39

D. Konsep Aperture Antena B Bermacam-Macam M Nilai Nil i Aperture A t Untuk U t kK Keadaan d Kh Khusus

RL = 0

dan

X A = −X T 4

Rr

RT

Ae/Aem

1

Ac

1

2


3

4 RT/Rr

40

D. Konsep Aperture Antena Beberapa Contoh Apertur A. Antena Dipole Pendek

V = E.L

80π 80 π 2 L2 Rr = λ2 E2 E2 P= = η0 (120π)

V2 V2 Aem = = 4P.R r 4P.R T

120.π .E 2 .L2 λ2 3λ2 2 Aem = = = 0,119λ 320.π 2 .E 2 .L2 8π

Jadi Aem untuk antena dipole pendek ( L < 0,1 λ ), besarnya adalah tetap 0,119λ2, tidak tergantung kepada panjangnya


41

D. Konsep Aperture Antena B. Antena Dipole p 1/2 / λ

2πy I = I 0 . cos λ 2πyy dV = E.dy d = E 0 .dy d . cos λ λ/4 Eλ 2πy V = ∫ dV = 2 ∫ E 0 cos dy = 0 λ π 0 Rr = 73 ohm λ/4

y -λ/4

dy

+λ/4

RT

V2 V2 Aem = = = 0,13λ 0 13λ 2 4 P.R r 4 P.R T

atau

λ/2

Dalam hal ini Aem >> Ap, p, atau γ besar. Jika antena dibuat sangat g tipis, maka Ap sangat kecil, tetapi Aem tetap Æ (γ Æ ∞ ) TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

42

D. Konsep Aperture Antena Hubungan Apertur Dengan Direktivitas • Hubungan apertur dengan direktivitas adalah berbanding lurus, dinyatakan :

D1 Aem1 = D 2 Aem 2 • Jika tidak MATCHED sempurna,

G = ηeff. D

A 1 Ae G1 D1ηeff 1 ηeff 1 × Aem A 1 = = = G 2 D 2 ηeff 2 ηeff 2 × Aem 2 Ae 2

ηeff = α = EFECTIVENESS RATIO • Untuk antena isotropis, D = 1 , maka :

Aem ISO Sehingga,

Aem 2 Aem X = = D2 DX

4π 4π D X = 2 Aem X λ

!!

Aem isotropis diketahui, dengan mengambil antena 2 adalah dipole pendek,

Aem 2 =

3 2 λ dan D2 = 3/2 = 1,5 8π 8π


43

D. Konsep Aperture Antena DX =

4π Aem X 2 λ

Rumus di atas cukup penting untuk menghitung direktivitas antena jika aperturnya diketahui !! Antena Isotropis Dipole p pendek Dipole λ/2

Aem λ2/(4π) = 0,79λ2 2 /(8π)) = 0,119λ , 3λ2/(

D 1 1,5 ,

D (dB) 0 1,76 ,

30λ2/(73π) = 0,13λ2

1,64

2,14


44

E. Rumus Transmisi Friis Tujuan º Menghitung transfer daya dari Tx ke Rx Rx

Tx Isotropis • Asumsi / syarat : a. Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ; b. Medium tidak meredam c Tak ada multipath dari refleksi c.

2

r ≥ 2L

λ

• Rapat daya pada penerima Rx, ( Pr ) :

Pr = WT

4πr

2

dimana, WT = daya pancar pengirim

WR = Pr .Ae A R = Ae A R WT

4πr 2

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


45

E. Rumus Transmisi Friis • Jika Jik T Tx memiliki iliki direktivitas di k i i DT, maka k :

WR = Pr .Ae R = Ae R WT Sehingga,

WR Ae R .D T = WT 4πr 2 •

WR

WT

4πr 2

4π D T = 2 AeT λ

WR = D T .WT Ae R

4πr 2

WR Ae R .AeT = WT λ2 r 2

= Perbandingan transfer daya dari Tx ke Rx untuk medan jauh,

medium tak meredam dan tak ada refleksi • WT

WR

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

antena referensi ( umumnya isotropis ) dan biasa dinyatakan dalam dB,


46

E. Rumus Transmisi Friis ⎛ WT ⎝ WR

Redaman Lintasan: Lp = 10 log⎜⎜

⎞ ⎟⎟ ⎠

dB

2 ⎛ λ2 .r 2 ⎞ λ ⎟⎟ dengan AeT = Ae R = ( isotropis ) = 10 log⎜⎜ 4π ⎝ AeT .Ae R ⎠ 2 2 ⎡ ⎤ 4 r 4 π π ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 2 2 = 10 log⎜ ⎟ = 10 log ⎢⎜ ⎟ + f + r ⎥ ⎝ λ ⎠ ⎢⎣⎝ c ⎠ ⎥⎦

Lp = 32,5 + 20 log fMHz + 20 log rkm Lp = 92,45 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 • Jika terjadi multipath, Lp berubah menjadi harga efektif,

(Lp – 6 dB) ≤ Lpeff ≤ ∞

• Penurunan –6 dB ini dapat terjadi jika ada dual path yang merupakan interferensi saling menguatkan k secara sempurna (kuat (k medan d di Rx dua d kali k li single i l path) h) TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

47

F. Polarisasi A h orientasi Arah i t i medan d elektrik l kt ik (E) disebut di b t polarisasi l i i

Vertical

Horizontal

+ 45degree slant

- 45degree slant


48

F. Polarisasi

V/H (Vertical/Horizontal)

Slant (+/- 45°)


49

F. Polarisasi Beberapa hal tentang polarisasi, •

Polarisasi gelombang berkaitan dengan orientasi vektor medan listrik yang dibangkitkan saat pemancaran. • Jika pemasangan antena Rx tidak sesuai dengan polarisasi gelombang, maka ada yang diterima akan lebih kecil ; terjadi “ polarization mismatch “. • Untuk orientasi yang sesuai, maka penerimaan daya akan maksimu ( polarisasi medan = polarisasi antena ). • Jika polarisasi medan membuat sudut ϕ dengan polarisasi antena, maka daya t i terima akan k mengalami l i penurunan yang dinyatakan di t k dengan d PLF ( polarization l i ti loss factor )

r ER

ϕ

r aA

r

Contoh : E Re ff untuk, ϕ = 60o Æ PLF = ¼ Î WR turun 6 dB ϕ = 90o Æ PLF = 0 Î WR = 0

dimana, r E R = vektor medan listrik r a A = orientasi antena

r r 2 PLF = (a ER • a A ) = cos 2 ϕ

PLF sangat penting untuk komunikasi bergerak khususnya di ruang g Manfaat lain y yang g jjustru positif p adalah untuk p penggandaan gg angkasa. kanal frekuensi TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

50

F. Polarisasi

Apakah antena penerima bisa menagkap sinyal ? Jelaskan !


51

G. Temperatur Antena •

Semua benda jika temperaturnya ≠ 0° K, akan merupakan pemancar noise yang spektrumnya sangat lebar, termasuk di kanal frekuensi operasi antena • Temperatur antena ( TA ) adalah temperatur yang mewakili antena karena menerima daya noise. Jika daya noise yang diketahui antena adalah NR, maka :

NR TA = k.B N dengan , k = konstanta Boltzman = 1,38.10 1 38 10-23 J/oK BN = Bandwidth noise system

•

Temperatur antena dapat dihitung dari beberapa kontribusi :

1 TA = ΩA

2π π

∫∫ T (θ, φ).sinθ.dθ.dφ dgn, Ω S

00

ΩA GN(θ,ϕ) TS(θ,ϕ) harga TS

2π π A

=

∫ ∫G

N ( θ, φ). sin θ.dθ.dφ

0 0

= sudut ruang beam antena = pola penguatan normal = brigtness temperatur of sources Æ dari clear sky (zenith) sekitar 3oK ≈ 5oK Æ dari arah horisontal sekitar 100oK - 150oK Æ dari bumi sekitar 290oK - 300oK

Sumber noise adalah : matahari, galaxy, atmosfer, man made (busi, dsb )


52

H. Kesimpulan Modul 2 1. 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 i i dengan d titik i ik observasi b i 2. Teorema Resiprositas Carson digunakan untuk membuktikan bahwa karakteristik antena sebagai pemancar berlaku juga pada antena sebagai penerima 3. Hubungan antara daya W dengan rapat daya Pr ,

r r π 2π W = ∫ Pr .dS = ∫ ∫ Pr .dS S

untuk antena isotropis

0 0

Pr = W

4πr 2

4. Intensitas radiasi adalah daya y ppersatuan sudut ruang, g, didefinisikan sebagai g :

U = Pr .r 2 = W

4π

5. Diagram g arah menunjukkan j karakteristik pancaran p antena ke berbagai g arah

(pattern), pada r konstan, jauh, sebagai fungsi θ dan φ


53

H. Kesimpulan Modul 2 6 Rumus-rumus 6. Rumus rumus untuk gain dan direktivitas direktivitas, Um Intensitas Radiasi Maksimum D≡ = Uo Intensitas Radiasi Rata − rata

Um 4π Pm Em 2 x D≡ = = Uo 4π Po Eo 2

G = ηeff .D 7. Adalah sudut ruang yang mewakili seluruh daya yang dipancarkan, jika intensitas radiasi di i = intensitas i t it radiasi di i maksimum ki atau t Seolah-olah S l h l h antena t memancar hanya h dalam sudut ruang B dengan intensitas radiasi uniform sebesar Um Æ W = B.Um 8 Konsep aperture antena berasal dari anggapan bahwa antena sebagai luas bidang 8. yang menerima daya dari gelombang radio yang melaluinya

W V 2R Aperture p = = P P (R r + R L + R T ) 2 + (X A + X T ) 2

{

}

4π D X = 2 Aem X λ

9. Redaman lintasan transmisi Friis,

Lp p = 32,5 + 20 log g fMHz + 20 log g rkm TE3423 - Antena dan Propagasi - Konsep Dasar Antena

54

H. Kesimpulan Modul 2 10.Polarisasi antena menunjukkan karakteristik antena dan merupakan arah orientasi vektor medan listrik yang dibangkitkan saat pemancaran. Rugi karena polarisasi dinyatakan oleh Polarization Loss Factor (PLF),

r r 2 PLF = (a ER • a A ) = cos 2 ϕ

r ER

ϕ

r aA r E Re ff

11. Temperatur antena menunjukkan kinerja antena terhadap noise termal. Antena yang baik tentunya memiliki temperatur yang rendah.


55

Modul #02. Konsep Dasar Antena. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2008

Recommend Documents