Modul #05. Macam-macam Antena. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2008

Modul #05 TE 3423 ANTENA DAN PROPAGASI

Macam-macam Antena Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi gg Teknologi g Telkom Bandung – 2008

Organisasi Modul 5

Macam-Macam Antena

•

A. Pendahuluan

page p g 3

•

B. Antena Linear dan Turunannya

page 7

•

C. Antena Loop dan Helix

page 13

•

D. Antena V dan Rhombic (Double V)

page 23

•

E. Modifikasi Dipole & Antena Ground Plane

page 27

•

F. Antena-Antena Antena Antena Reflektor

page 31

•

G. Antena2 Aplikatif

page 59

•

H. Exotic Antenna

page 68

•

Motto

page 71

TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

2

A. Pendahuluan Sekapur Sirih ... Seperti yang sudah dibicarakan pada bagian sebelumnya, dimensi antena paling kecil harus mendekati panjang gelombang supaya menjadi radiator yang efisien. Bahkan untuk mendapatkan gain yang y g tinggi, gg , dimensi antena harus jjauh lebih besar dari ppanjang j g ggelombang. g Menaikkan gain suatu antena selalu disertai dengan penurunan lebar dan luas berkas, sehingga antena dengan gain yang tinggi memerlukan pemasangan dan penempatan yang sangat teliti agar benar-benar menunjuk pada sasaran yang diinginkan. Sebagai contoh : Antena dengan gain sebesar 60 dB lebar berkasnya sekitar 0,2o sehingga kesalahan penempatan sebesar 0,1o dari sumbu utama akan menurunkan penerimaan sebesar 30 dB. Dari besarnya gain, antena digolongkan menjadi antena dengan gain rendah (sampai 10dB) , gain sedang (10 sampai 20 dB) , dan gain tinggi ( lebih dari 20 dB). Namun demikian, harus dicatat pula bahwa angka angka-angka angka tersebut di atas adalah relatif, relatif bukan mutlak. mutlak Frekuensi kerja sangat mempengaruhi bentuk dan dimensi antena. Pada daerah HF, 3-30 MHz, banyak dipakai antena kawat dan batang atau susunannya sepperti dipol, yagi, log periodik, helix nomal mode, whip, dan antena linier lainnya. Sedangkan pada VHF banyak dipakai yagi, antena kawat, corner, dll. Pada UHF dan SHF (300 - 30000 MHz) banyak dipakai antena paraboloid, corong, slot, antena lensa, dan kadang-kadang helix, yagi, dan lain-lain.


3

A. Pendahuluan Selain itu, ada antena yang tidak jelas nampak sebagai antena pemancar atau harus

tersembunyi atau disebut sebagai antena samar ( disquised antenna ). Antena tersebut harus menyesuaikan dengan keadaan sekitarnya seperti pada kapal terbang, kereta api, atau pada keadaan lingkungan yang berat. berat Untuk antena semacam ini, biasanya yang menjadi persoalan adalah penyesuaian impedansi karena umumnya impedansi antena akan jauh berbeda dengan impedansi karakteristik saluran transmisi jika dipakai transformator konvensional. konvensional Kerugian lain yang diderita adalah diagram arah yang seringkali jauh dari yang diharapkan sehingga harus dicarikan kompromi-kompromi lain yang lebih ketat kendalanya. kendalanya


4

A. Pendahuluan Pemilihan Antena ...

Dalam suatu hubungan komunikasi, dihadapkan pada suatu tugas yaitu

memilih antena yang cocok untuk komunikasi tersebut, terlebih jika kita sendiri yang harus mendesain sistem komunikasi dan antena yang bersangkutan.

Pilihan antena yang digunakan didasarkan kepada :

• Jenis komunikasi yang dilakukan Æ Broadcast / siaran , pilih antena dengan tipikal pancaran Broadside/omnidirectional Æ Point to point communication, pilih antena dengan tipikal pancaran Endfire / directional / pencil beam • Keterbatasan kelas penguat Æ Berkaitan dengan Gain antena yang direncanakan • Lebar informasi yang dikirimkan ( Narrowband / broadband ) Æ Berkaitan B k i dengan d B d idth antena yang direncanakan, Bandwidth di k dirancang di tidak tid k terpisah dengan saluran transmisi yang digunakan • Daerah cakupan (coverage) antena yang diinginkan Æ Berkaitan dengan Beamwidth antena yang direncanakan direncanakan. Misal : struktur sel trisektoral membutuhkan antena dengan beamwidth 120o. TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

5

A. Pendahuluan Mari kita ulangi sekali lagi... lagi Dalam memilih dan mendesain antena, kita selalu dihadapkan oleh batasan-batasan yang didapat dari sistem komunikasi yang direncanakan . Sebagai contoh : Jika misalkan kita diharuskan mendesain antena untuk komunikasi selular GSM, terlebih dahulu kita harus mengetahui : (1) Berapa range frekuensi kerja GSM yang nantinya berkaitan dengan bandwidth antena yang kita rencanakan, (2) SWR maksimum yang diijinkan disisi pemancar dan penerima, berkaitan dengan matching impedance p dengan g saluran transmisi, ((3)) Kelas p penguat, g untuk merencanakan seberapa besar gain yang dibutuhkan untuk komunikasi tersebut (4) Cakupan daerah antena yang diinginkan yang berkaitan dengan beamwidth antena Hanya saja, saja ada beberapa hal yang harus kita pahami bahwa keempat persoalan diatas adalah saling terkait dan proses desain antena terdiri dari kompromi-kompromi agar antena yang sudah didesain dapat memenuhi kriteria sebelumnya yang sudah ditetapkan. p Dari sinilah yang y g menyebabkan y kemudian bahwa ppersoalan desain antena menjadi tidak sederhana TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

6

B. Antena Linear dan Turunannya A Antena li linear b biasanya terbuat b d dari k kawat atau batang b k d k konduktor tipis dan terbagi menjadi 2 macam : (a) Antena Resonan atau disebut juga sebagai Antena Gelombang Berdiri , (b) Antena Non Resonan atau Antena Gelombang Berjalan

B.1. Antena Gelombangg Berdiri / Antena Resonan

λ 2

3 λ 4

λ

5 λ 4

3 λ 2


2λ 7

B. Antena Linear dan Turunannya s r Z

dz

θ

L

Pencatuan ditengah dengan :

[I0 ] = I0e

⎛ r⎞ jω ⎜ t − ⎟ ⎝ c⎠

Distribusi arus sinusoidal,, dengan g :

⎡ 2π ⎛ L ⎞⎤ [I] = [I0 ]sin ⎢ ⎜ ± z ⎟⎥ ⎠⎦ ⎣λ ⎝2 "+ " jika z < 0

Sehingga, distribusi medan di tempat jauh,

⎧ ⎛ βL ⎞ ⎛ βL ⎞ ⎫ cos⎜ cos θ ⎟ − cos⎜ ⎟⎪ ⎪ 60[I 0 ] ⎪ ⎝ 2 2 ⎠⎪ ⎝ ⎠ Eθ = j ⎨ ⎬ r ⎪ sin θ ⎪ ⎪⎩ ⎪⎭ ⎧ ⎛ βL ⎛ βL ⎞ ⎫ ⎞ cos⎜ cos θ ⎟ − cos⎜ ⎟⎪ ⎪ [ I0 ] ⎪ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠⎪ Hφ = j ⎨ ⎬ 2πr ⎪ sin θ ⎪ ⎪⎩ ⎪⎭

dan " − " jika z > 0 TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

8

B. Antena Linear dan Turunannya L=

1 L= λ 2

⎛π ⎞ cos⎜ cos θ ⎟ 2 ⎝ ⎠ Eθ = sin θ

L=λ

cos(π cos θ) + 1 Eθ= sin θ

3 L= λ 2

⎛ 3π ⎞ cos⎜ cos θ ⎟ ⎝ 2 ⎠ Eθ = sin θ

P l j i konsep Pelajari k Tahanan T h Pancar P kembali k b li !!

1 λ 2 78o

L=λ 47 o

3 L= λ 2

+

-

-

+ +


9

B. Antena Linear dan Turunannya B 2 Antena Gelombang Berjalan B.2. Antena gelombang berjalan (travelling wave antenna) terdiri dari kawat tunggal yang diterminasi dengan impedansi karakteristiknya Contoh antena gelombang berjalan : glb glb

(a) kawat tunggal diterminasi

(c) Helical panjang

(b) Rhombic diterminasi

Keempat antena disamping merupakan pendekatan untuk memberikan gelombang berjalan Uniform Tunggal

(d) Linear panjang tebal


10

B. Antena Linear dan Turunannya P(ρ, ζ, z ) Pada suatu konduktor antena gelombang

berjalan di samping, gelombang berarah menuju sumbu z

r1

r

r2

ρ

φ 0

dz

b Arah gelombang

Konduktor

z

Pola pancar antena, antena Pola pancar antena dipengaruhi p dan b dimana, p = kecepatan fasa pada konduktor, umum p= disebut sebagai faktor p kecepatan b = Dimensi panjang konduktor

⎡ ωb ⎤⎫ I 0 p ⎧ sin φ (1 − cos φ)⎥ ⎬∠ψ Hζ = sin ⎢ ⎨ 2πr1 ⎩1 − p cos φ ⎣ 2pc ⎦⎭

⎡ ⎛ ψ = ⎢ ω⎜ t − ⎣ ⎝

dan

⎤ r ⎞ ωb (1 − cos φ )⎥ ⎟− c ⎠ 2 pc ⎦ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

v

c

E φ = ηi H ζ

11

B. Antena Linear dan Turunannya Pola pancar antena gelombang berjalan untuk beberapa nilai panjang b, dan

faktor kecepatan fasa p

Arah gelombang

58o

60o

τ = 31o

τ = 25o

τ = 68 o

p = 0.8

p = 1.0

b=

λ 2

p = 1.0

b = 5λ


12

C. Antena Loop dan Helix C 1 Antena Loop C.1.

Pada loop kecil sirkular : Jari-jari a << λ

z

r a x

Analisis

P

y

dengan 2 macam cara

Radius loop : a

(1) Dipandang sebagai L Loop persegii (2) Diekivalensikan sebagai Dipole sebaga ipole Magnetik Pendek

Lihat masing-masing penurunan pada Diktat P Heroe hal V-5 !!, !! didapatkan hasil yang sama :

exactly the same shape as that of a Hertzian Dipole, where the electric and magnetic fields are interchanged.

120π [I]sin θ A Eφ = r λ2 2

The Loop pattern has

π[I]sin θ A Hθ = r λ2

[I] = I0e

(

jω t − r

c

)

“ Uniform Loop”

A = πa 2 a = jari-jari loop


13

C. Antena Loop dan Helix : Besaran

Eθ Hφ Rr D

Rumus Loop Sirkular Arus Uniform

Loop kecil 2 λ , Cλ < 1 A< 100 3

Umum Ukuran sembarang

60 π [I ]C λ J 1 (C λ sin θ ) 120π 2 [I]sin θ A r r λ2 Eθ Eθ 120π 120π 60 π C λ 2

2Cλ

∫ J (y )dy 2

0

[

]

2C λ J1 (C λ sin θ) max

∫

2

2 Cλ

0

J 2 ( y)dy

2πa Cλ = λ 4d ( utk loop persegi ) Cλ = λ

Loop besar Cλ > 5 sama dengan g umum

sama dengan umum

2 ⎛a⎞ A ⎛ ⎞ 4 3720 ⎜ ⎟ = 592 C λ 31200 ⎜ 2 ⎟ = 197 C λ ⎝λ⎠ λ ⎝ ⎠

3 2

⎛a⎞ 4, 25 ⎜ ⎟ = 0,68 C λ ⎝λ⎠

x untuk x << 1 Fungsi Bessel Orde 1 2 2x ⎞ x3 ⎛ x2 x4 x6 x8 ⎜ ∫0 J 2 ( y)dy = 3 ⎜⎝1 − 5 + 56 − 1080 + 31680 − ...⎟⎟⎠ J1 ( x ) ≈


14

C. Antena Loop dan Helix • Aplikasi Antena Loop 1.

Tidak cocok untuk transmitter (karena tahanan radiasi

sangat kecil), tetapi mudah untuk dibuat dan sering digunakan untuk t k: Æ Low Frequency AM receiver (HiFi) Ferrite sebagai inti akan memberikan performansi yang lebih baik. Multiple loop digunakan untuk meningkatkan Tahanan Radiasi 2.

Aplikasi untuk Directional Finder (dikombinasikan dengan dipole): y

z

Dipole

Resultant Pattern

y

+

x

x

Loop TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

15

C. Antena Loop dan Helix C.2. Helical Antenna • Mode radiasi pada helix ada 2 macam :

Normal Mode Radiation

Cλ <

Antena Helix ditemukan oleh John Krauss tahun 1946

1 3

Operational Modes Axial Mode Radiation

3 4 < Cλ < 4 3

• Macam-Macam antena helix : Balance Unbalance

Uniform

Tapered

i Variable Pitch

Envelope


Variable Thickness 16

C. Antena Loop dan Helix • Dimensi-Dimensi pada helix : Diameter D Number of turns N

z

Turn spacing S

C

= π.D = kelililing lingkaran

S

= Spasi / pitch

N

= Jumlah lilitan

L

= NS = Panjang helix (sumbu helix)

LD = Pitch Angle g α x

C = Circumference Ground Plane > λ/2

S2 + C 2

= Panjang satu lilitan LN = NLD = panjang kawat α Cλ

= Pitch angle = = πD λ


( C)

tan −1 S

17

C. Antena Loop dan Helix • Normal Mode Radiation Antena helix dapat dipandang sebagai susunan loop l sejumlah j l h N loop

Diameter D z

y

x Entire Helix Length L

Normal Mode Radiation (broadside) terjadi jika : D << λ atau , LN << λ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

18

C. Antena Loop dan Helix • Distribusi Medan Mode Normal

60 π[I ]sin θ S Eθ = j r λ 120 π [I ]sin θ A Eφ = r λ2

Polarisasi Eliptis

AR = Axial Ratio =

2

dengan,

πD 2 A= 4

Eθ Eφ

=

Sλ 2πA

2Sλ = 2 Cλ Polarisasi Sirkular

AR = 1

πD λ C λ πD = tan α = 2 2λ Cλ =


2S λ =

19

C. Antena Loop dan Helix • Axial Mode Radiation ppreferred mode Axial Mode Radiation (endfire) terjadi jika :

3/4 < Cλ < 4/3 Sifat sifat mode axial Sifat-sifat z

y

1. 2. 3. 4. 5.

Narrow Mainbeam dengan minor sidelobes

6.

Perancangan tidak kritis

Polarisasi sirkular (orientation ∼ helix orientation) Bandwidth lebar dibandingkan mode normal Tanpa kopling antar elemen Dapat disusun dengan helix lainnya untuk meningkatkan gain

x Circumference C TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

20

C. Antena Loop dan Helix • Parameter of Axial Mode Radiation

ψ ⎛ π ⎞ sin ⎛⎜ N 2 ⎞⎟ ⎠ cos φ E = sin ⎜ 2 ⎟ ⎝ ⎜ N ⎟ ⎛⎜ ψ ⎞⎟ sin ⎝ ⎠ ⎝ 2⎠

1 ⎤ ⎡ dengan g ψ = 2 π ⎢S λ (1 − cos φ ) + 2N ⎥

52 o HPBW = C λ NS λ

(

⎣

)

⎦

115 o FNBW = C λ NS λ

(

)

2

D = 12 C λ S λ N

R T = 140 C λ ( Axial Feed )

AR =

dan

R T = 150

Cλ

( Periferal Feed )

2N + 1 2N


21

C. Antena Loop dan Helix • Aplikasi 1. High gain, large bandwidth, simplicity, circular polarisation in AXIAL MODE: MODE Æ Space Communication (200-300MHz)

2. Arrays of Helixes with higher gain (they hardly couple!)


22

Latihan: Problems 8-3-2 A right-handed monofilar axial-mode helical antenna has 30 turns, λ/3 diameter and λ/5 turn spacing. ((a)) What is the HPBW? (b) What is the gain (η = 100 %) ? (c) What is the polarization state? (d) What is the AR


23

Solution (a) From (8-3-4),

52o 52o o HPBW ≅ = = 20.3 Cλ (nSλ )1 2 π (30 × 0.2)1 2 3

(b) For zero losses,G=D From (8-3-7), (8 3 7)

D ≅ 12Cλ nSλ = 12(π / 3) 30 × 0.2 = 79 or 19 dBi 2

2

( ) RCP ((right (c) g circularly yp polarized)) (d) AR=61/60=1.017


24

D. Antena V dan Rhombic (Double V) D 1 Antena V D.1. • Antena V digunakan terutama untuk panjang gelombang 1 – 50 m • Tipikal pola pancar antena gelombang berdiri (resonan) untuk panjang elemen 2λ , diberikan disamping : Contoh 1 V gelombang berdiri (resonan)

γ = 2β

36 o

2λ

Contoh 2 V gelombang berjalan (non resonan)

γ = 90o

Pencil Beam (single lobe)


25

D. Antena V dan Rhombic (Double V) Contoh 3 V silinder (resonan)

γ = 90o Beamwidth melebar akibat penambahan diameter 1,25λ 2a = 2a

λ

20


26

D. Antena V dan Rhombic (Double V) D.2. Antena Rhombic ( Double V ) Rhombic merupakan antena gelombang berjalan, yang umumnya dipakai

untuk frekuensi kurang dari 400 MHz ( populer pada f = 30 MHz, λ = 10 m ) • Parameter rhombic : L, φ, dan h ¼ Dicari nilai optimumnya : maximum gain dan minimum sidelobe

L L

φ

φ

Axis of rhombic

ZL

• Tahanan terminasi : 600 – 800 ohm

Terminating impedance

• Terdapat pula multiple rhombic • Etot = jumlah E dari dari tiap kawat pembentuknya

α = 10o

Azimuth pada α = 10o Elevasi TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

27

D. Antena V dan Rhombic (Double V) • Untuk satu rhombic, persamaan medan totalnya diberikan sebagai berikut :

cos φ . sin (hr sin α ). sin (ψL r ) Etot = 1 (1 − sin φ cos α ) 2 2

Dimana,

α

= elevasi terhadap tanah

φ

= 0,5 sudut antara kaki rhombic

ψ=

(1 − sin φ cos α ) 2

hλ = tinggi rhombic dari tanah dalam λ Lλ = panjang kaki rhombic dalam λ hr

= 2π hλ

Lr = 2π Lλ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

28

E. Modifikasi Dipole & Antena Ground Plane E.1. Antena Dipole Lipat (Folded Dipole) Dipole dilipat digunakan untuk menaikkan tahanan radiasi antena • Dipole Lipat 2 s

λ

V

V = I 2 Z 21 + I 2 Z 22 2

Karena s <<, maka Z12 ≈ Z11 dan Z21 ≈ Z22

2

V

V = I1Z11 + I 2 Z12 2

V = 2 I1 (Z11 + Z12 ) = 2 I1.2 Z11

2

I1

2

I1

V Z T = = 4Z11 I1 s

Untuk Z11 = 70 ohm, maka ZT = 280 ohm !!


29

E. Modifikasi Dipole & Antena Ground Plane • Dipole Lipat 3 Z T = 32 Z11 = 9 × 70 = 630 Ω

• Lipatan Yang Lain

λ Z T = 900 Ω

2

I

3λ 4

Z T = 450 Ω

λ Z T = 1400 Ω

2 Modul Va Macam-Macam Antena

30

E. Modifikasi Dipole & Antena Ground Plane E.2. Modifikasi Dipole • T-Match

D d1 d2 λ

λ

2

T match : ZT = f(D) Contoh : L = 0,48λ ; D = 0,12λ d1 = ( 0,0001 - 0,001 )λ d2 = 0,01λ 0 01λ

2

ZT = 600 Ω

• Dipole Lipat Ditarik Loop (dari lipat 2)

λ

4

λ

Quad (dari lipat 4)

λ

4

λ

4


4

31

E. Modifikasi Dipole & Antena Ground Plane E 3 Antena E.3. A t G Ground d Pl Plane Ground plane akan meningkatkan tahanan pancar antena karena adanya prinsip

bayangan. Bentuk groundplane akan mempengaruhi karakteristik antena (pola pancar, bandwidth dsb) bandwidth,

λ

4

λ λ

4

λ

4

4 λ

4

dsb dsb... TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

32

F. Antena-Antena Reflektor Antena reflektor sangatt populer l dalam d l penggunaan karena k karakteristik k kt i tik reflektor yang dapat digunakan untuk bermacam-macam keperluan. Reflektor berguna g untuk : • Mengubah diagram arah • Menaikkan gain • Memperbesar M b F t to Front t Back B k Ratio R ti Dalam bagian ini akan dijelaskan 3 macam reflektor saja, sekalipun di lapangan mungkin akan ditemui ditemui jenis reflektor yang lain. Ketiga macam antena reflektor tersebut adalah : • Reflektor bidang datar • Reflektor R fl kt Sudut S d t • Reflektor Paraboloid


33

F. Antena-Antena Reflektor F.1. Antena Reflektor Bidang Datar

φ s bayangan

s antena

Dari prinsip bayangan, antena 1/2 λ dipole horisontal h i t l dengan d reflektor fl kt bidang bid datar d t akan k memberikan penguatan / diagram arah kuat medan :

R 11 + R L G f (φ) = 2 sin (Sr cos φ) R 11 + R L − R 12 Dengan :

RL = tahanan rugi-rugi ohmic /panas antena R11 = tahanan sendiri R12 = resistansi antena dengan bayanganya Sr = 2πS / λ


34

F. Antena-Antena Reflektor Dari persamaan sebelumnya, diketahui bahwa pola pancar

antena dengan reflektor bidang datar adalah fungsi dari jarak antena tersebut dengan bidang reflektornya (S)


35

F. Antena-Antena Reflektor Di b bawah w ini adalah ggrafik ggain yyangg dicapai p oleh antena dipole p ½λ y yang g ditempatkan sejarak S/λ didepan reflektor bidang datar. Selanjutnya, gain dan bandwidth adalah 2 hal yang harus dikompromikan S Ò ⇒ GÔ dan BÒ Ò

S Ô ⇒ G Ò dan B Ô


36

F. Antena-Antena Reflektor F.2. Antena Reflektor Sudut ector l f e r er corn

S

α

2

Dengan memakai Prinsip bayangan, maka 1 buah antena dengan reflektor b bersudut d t 90o ekivalen ki l dengan susunan 4 buah antena

4

1

3

DE

apex

Parameter-parameter Parameter parameter dalam antena reflektor sudut adalah :

• α = sudut corner Bi Biasanya dipakai di k i : S DE S

S S

φ

180o α= n

dimana n adalah bilangan bulat

Umumnya sudut adalah 90o , tetapi kadangkadang didapati juga sudut reflektor 60o. • S = jjarak antara antena ((DE=driven elemen)) dengan reflektornya 37

F. Antena-Antena Reflektor • Untuk antena dengan sudut reflektor α = 90o

S DE S

φ

S

α = 90 o

S

1

3

TETAPI,

( fasa antena 1 = fasa antena 4 ), dan keduanya berbeda fasa sebesar 180o terhadap ( fasa antena 2 = fasa antena 3 ) Pada titik jauh P, P yang berjarak r dari antena , diperoleh distribusi kuat medan :

2

4

Analisis menganggap terdapat 1 DE dan 3 bayangan, sehingga muncul susunan elemen ½λ, semuanya mempunyai magnitudo arus yang sama

E (φ ) = 2kI1 cos(S r cos φ ) − cos(S r sin φ ) Dengan : I1 = arus tiap elemen Sr = 2πSλ k = konstanta fungsi r


38

F. Antena-Antena Reflektor • D Darii analisis li i susunan 4 antena t tersebut, didapatkan bahwa emf V1 pada terminal DE :

V1 = I1Z11 + I1 R1L + I1Z14 − 2 I1Z12 dengan, Z11 = impedansi sendiri DE R1L = tahanan rugi ekivalen DE Z13 = Z12 = impedansi mutual dgn elemen 3 dan 2 Z14 = impedansi mutual dgn elemen 4

• Jika daya input ke DE adalah P, maka k :

I1 =

• D Dengan substitusi b i i pada d persamaan distribusi medan, didapat :

P I1 = 2 k R11 + R1L + R14 − 2 R12

× cos(S r cos φ ) − cos(S r sin φ )

• Sedangkan kuat medan di titik jauh P dari DE tanpa reflektor adalah :

P E ' (φ ) = k R11 + R1L

P R11 + R1L + R14 − 2R12 TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

Sehingga…. 39

F. Antena-Antena Reflektor Ingat kembali definisi gain… gain maka diperoleh Gain kuat medan

antena dengan reflektor terhadap antena tanpa reflektor ( untuk α = 90o ) R11 + R1L G f (φ ) = 2 cos(S r cos φ ) − cos(S r sin φ ) R11 + R1L + R14 − 2 R12

Untuk α = 60o , akan dapat dipandang sebagai array 6 elemen ½λ, yang terdiri dari 1 DE dan 5 bayangan, menghasilkan :

R11 + R1L G f (φ ) = 2 R11 + R1L + 2 R14 − 2 R12 − R16

(

[

])

(

[

× sin (S r cos φ ) − sin S r cos 60 o − φ − sin S r cos 60 o + φ


]) 40

F. Antena-Antena Reflektor Di samping ini adalah variasi jarak antara DE dengan apex reflektor (S) untuk α = 90o Dapat dilihat bahwa pola pancar antena berubah dengan berubahnya jarak S

41

F. Antena-Antena Reflektor

Gain, dBi G

Gain, dBd G

Disamping ini adalah grafik perubahan gain dalam dBd (sumbu vertikal sebelah kiri ) dan dBi (sumbu vertikal kanan) terhadap perubahan Sλ .

Antenna to corner spacing, Sλ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

42

F. Antena-Antena Reflektor Sedangkan S d k tahanan h terminasi antena sebagai g fungsi g dari Sλ diberikan pada grafik di samping untuk beberapa sudut reflektor. Untuk α = 90o,

RT = R11 + R1L + R14 - 2 R12


43

F. Antena-Antena Reflektor Dimensi Reflektor

L = 2S

H

G S

Dimensi reflektor untuk α = 90o G ≤ 0,1λ ; H ≥ 0,6λ S = 0,35λ ¿ L = 0,7λ S = 0,5λ ¿ L = 1,0λ


44

F. Antena-Antena Reflektor Jika antena dipole diletakkan miring di depan reflektor sudut, sudut maka akan dihasilkan polarisasi eliptis.


45

Problem 10-3-1. Square-corner reflector A square-corner reflector has a driven λ/2 dipole antenna space λ/2 from the corner. Assume perfectly conducting sheet reflectors of infinite extent (ideal reflector). Calculate and plot the radiation pattern in a plane at right angles to the driven element.


46

Solution: From (10-3-6) the gain of a lossless corner reflector over a reference

λ/2

dipole is given by

12

⎛ ⎞ R11 G f (φ ) = 2 ⎜ ⎟ 2 R + R − R ⎝ 11 14 12 ⎠ For

S =λ/2

[cos( S r cos φ ) − cos( S r sin φ )]

and maximum radiation direction

(φ = 0o )

12

this becomes

73.1 ⎛ ⎞ G f (φ ) = 4 ⎜ ⎟ + + × 73.1 3.8 2 24 ⎝ ⎠

= 3.06 or 9.7 dB (=11.9 dBi)

See Table 13-1 and Fig. 13-13 for the mutual resistance values for separation and

R14

at

1λ

R12 at 0.707λ

separation. The above calculated gain agrees with the value shown by the curve in Fig. 10-11. Th pattern should The h ld be b identical id i l to the h one in i Fig. Fi 10-12a. 10 12 TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

47

F. Antena-Antena Reflektor F 3 Antena Reflektor Paraboloid F.3. Antena dengan reflektor paraboloid sangat populer untuk komunikasi

gelombang mikro ( frekuensi di atas 1 GHz ) terestrial dan juga untuk komunikasi satelit. satelit

Gain yang dicapai sangat tinggi, bisa mencapai puluhan dB (≈ 60 dB)

Parabolic Dish

Feed

Pemantul umumnya

terbuat dari baja, baja aluminium, atau bisa juga lapisan logam (foil) yang dilekatkan pada fib l fiberglass TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

48

F. Antena-Antena Reflektor • Bentuk utama parabola

• Parabola Silindris Mengubah muka gelombang silindris ili d i yang dipancarkan di k sumber garis sefasa menjadi gelombang datar pada aperturnya

Terdapat 2 macam bentuk utama parabola, yaitu :

Line source

Aperture

• Parabola Spheris

Point source

Aperture

Mengubah M b h muka k gelombang l b spheris h i yang dipancarkan sumber isotropis pada fokus, menjadi gelombang datar pada apertur-nya. apertur nya Atau jika jika dilihat berkas gelombang datang dari titik fokus, akan dipantulkan sejajar sumbu paraboloid


49

F. Antena-Antena Reflektor (a)

Analisis Geometri Geometri... θ

Persamaan lengkung parabola, pada

R Fokus = F

gambar di samping parabola memiliki fokus F d berjarak dan b j k L dari d i verteks k dinyatakan di k sbb bb :

2L R= 1 + cos θ

Verteks Muka gelombang datar

L

((b))

Definisi :

y P

Q

Lengkung paraboloid adalah tempat F Axis

Verteks

x

kedudukan titik-titik yyangg jaraknya j y ke titik fokus f sama dengan jaraknya ke bidang datar Directrix

PF = PQ

Directrix


50

F. Antena-Antena Reflektor B' B

( ) (c)

A' A

PF + PS = PF + QS − PQ = QS Q

P

S

Axis

Jadi gelombang dari sumber isotropis pada fokus F akan dipantulkan oleh parabola menjadi sefasa pada garis/bidang AA’.

Apertur bidang datar

Bayangan fokus F adalah direktriks direktriks. Medan pantul pada AA’ seolah-olah berasal dari direktriks sebagai gelombang datar.

F

B

A

Bidang/garis BB BB’ disebut Apertur Datar atau apertur fisik


51

F. Antena-Antena Reflektor Distribusi Medan... • Aperture Parabola Silindris Ekspresi untuk daya, W W = Daya pada strip pita selebar dy sepanjang 1 meter ke arah sumbu z

y

dy dθ

y

θ

W = dθ.U '

W = dy y.Ρy

R

F

x

Py = rapat daya pada y

U’ = intensitas radiasi sepanjang 1 m ke arah z

L sumber garis isotropis

Ρy .dy = U ' dθ

maka, k

Ρy

dy 1 meter

U'

=

1 d (R sin θ)

dθ

R=

2L 1 + cos θ Sehingga….


52

F. Antena-Antena Reflektor Didapatkan Didapatkan...

1 + cos θ Py = Pθ = U' 2L Untuk θ = 0,

1 Pθ=0 = P0 = U ' L Dengan normalisasi Pθ terhadap P0 , did tk : didapatkan

Pθ 1 + cos θ = P0 2

Distribusi medan ternormalisasi sebagai fungsi θ untuk apertur parabola silindris

Eθ 1 + cos θ = E0 2 TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

53

F. Antena-Antena Reflektor Distribusi Medan...

• Aperture Paraboloid / Dish Antenna dρ

Ekspresi untuk daya, W

y

W = Daya dalam cincin dengan radius ρ dan lebar dρ ρ

dθ

= Daya yang dipancarkan antena isotropik untuk sudut ruang 2π sinθ dθ

R

θ

F

x

L sumber titik isotropis

W = 2πρ dρ Pρ Pρ = rapat daya pada ρ

W = 2π sin i θ dθ U U = intensitas radiasi

ρ dρ Pρ = sin θ dθ U maka,

ρ

Ρρ

dρ

U

=

sin θ 2L sin i θ ρ⎛⎜ dρ ⎞⎟ ρ = R sin θ = ⎝ dθ ⎠ 1 + cos θ


54

F. Antena-Antena Reflektor Didapatkan... p

( 1 + cos θ) =

2

Pρ = Pθ

2

4L

U

Untuk θ = 0,

1 Pθ=0 = P0 = 2 U L Dengan normalisasi Pθ terhadap P0 , didapatkan :

Pθ (1 + cos θ) = P0 4

2

Distribusi medan ternormalisasi

sebagai fungsi θ untuk apertur paraboloid

E θ 1 + cos θ = E0 2


55

F. Antena-Antena Reflektor Iluminasi u s Pada d Apertur pe u Parabola bo Gambar (a) Secondary pattern D

V

A

Axis F

Jika antena pprimer isotropis p spheris, p , bagian g A akan sefasa dengan muka gelombang datar pada apertur, sehingga diagram sekunder akan berbentuk ENDFIRE.

Isotropic source pattern (primary pattern)

nλ 4

Jika

Gambar (a)

λ L = n ganjil × 4

Gelombang yg dipantulkan sefasa dengan gelombang yg tdk dipantulkan ¿ Interaksi Positif

λ L = n genap × 4

Gelombang yg dipantulkan berlawanan fasa dgn gelombang yg tdk dipantulkan ¿ Interaksi Negatif


56

F. Antena-Antena Reflektor Gambar (b) Taperred Illumination

D V

F

Relative field intensity primary pattern

Jika jarak fokus primer spheris kearah reflektor semakin dekat ( L << ) , maka iluminasi pada apertur akan tappered ( menurun ke tepi ) karena jarak fokus ke reflektor akan berbeda sebesar :

R max 20 log L

Gambar (b)


57

F. Antena-Antena Reflektor Taperred illumination with dashed primary pattern

+ φ1 D V

L

− φ1

Pada saat L dibesarkan supaya penurunan ke tepi ( tappered ) semakin kecil maka : kecil, • Jika iluminasi primer dapat dijaga tetap uniform spheris, maka penurunan ke k tepii (tappered) ( d) pada d iluminasi apertur akan sedikit Lihat garis penuh !!

F primary pattern

Nearly uniform illumination with solid primary pattern

Gambar (c)

Relative R l ti field fi ld intensity

Gambar (c)

• Jika iluminasi primer tappered, maka iluminasi apertur juga akan tappered. Lihat garis putusputus !!

Dalam desain, makin besar tappered (penurunan ke tepi) maka side lobe makin

kecil sedangkan direktifitas akan berkurang !!

Jarak fokus yang besar biasa dipakai untuk antena astronomi ( L/D >> ) TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

58

F. Antena-Antena Reflektor Pola Pancar Antena A B Besar A Apertur Si Sirkular k l uniform illumination

D

φ

D Dengan Il Iluminasi i iU Uniform if

uniform plane wave uniform illumination

φ Relative field intensity

Relative field intensity Paraboloid

infinite sheet

Radiasi dari suatu parabola antena p besar dengan aperture iluminasi uniform secara tipikal adalah ekivalen dengan apertur sirkular dengan diameter yang sama, D.

• Pola medan radiasi dari aperture iluminasi uniform dapat dihitung dari Prinsip Huygens. Pola medan ternormalisasi E(φ ) sebagai fungsi D dan φ adalah sebagai berikut : D Diameter aperture π D sin φ λ Panjang gelombang ruang bebas 2λ J 1 λ Eφ = φ Sudut terhadap garis normal aperture πD sin φ J1 Fungsi Bessel orde pertama

( )

[( ) ]


59

F. Antena-Antena Reflektor • Sedangkan First Null dari pola radiasi dinyatakan dinyatakan dari rumusan berikut :

πD sin i φ0 = 3,83 λ Sehingga,

φ0 = arcsin

1,22λ 3,83λ = arcsin D πD

untuk sudut kecil, berlaku untuk parabola besar ( D > 10λ )

sin φ0 ≈ φ0

φ0 =

1,22 (rad ) Dλ

• Sehingga, untuk apertur sirkular iluminasi uniform (parabola besar)

140o FNBW = 2 × φ0 = Dλ • Half Power Beamwidth, untuk apertur sirkular iluminasi uniform (parabola besar)

58o HPBW = Dλ • Sedangkan direktivitas, dinyatakan :

Ddir = 4π Sehingga,

Luas Aperture

λ2

2 D π 2 70 D = 4 = 9 , 87 D π (derajat ) = dir λ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena 4λ2 Dλ o

60

F. Antena-Antena Reflektor • Di bawah ini dinyatakan perbandingan parameter-parameter parameter parameter antara parabola aperture sirkular dengan rectangular untuk distribusi aperture uniform

Aperture Sirkular Rektangular Half Power Beam Width

140 Dλ

115o FNBW = Lλ

o

Beam Width Between First Nulls

FNBW =

Direktifitas (Gain terhadap isotropik)

Ddir = 9,87 Dλ

Gain terhadap dipole λ/2

G = 6 Dλ

Dimana

51o HPBW = Lλ

58o HPBW = Dλ

2

Ddir = 12,6 Lλ Lλ '

2

Dλ diameter ( dalam λ ) Lλ panjang j sisi i i rektangular k l ( dalam d l λ) Lλ’ panjang sisi rektangular yang lain ( dalam λ ) TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

G = 7,7 L λ L λ '

61

F. Antena-Antena Reflektor

Perbandingan pola radiasi relatif antara apertur sirkular D = 10λ dengan aperture bujursangkar L = 10λ TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

62

Problem 10-7-1 & Persiapan UAS

Calculate and plot the radiation pattern of paraboloidal reflector with uniformly iluminated aperture when the diameter is 8λ and when the diameter is 16λ ! Di dekat antena dipole λ/2 dipasang suatu reflektor sempurna sudut 600 dengan jarak λ/2. Ilustrasikan antena tersebut dengan bayangan-bayangannya! Tentukan harga-harga g g resistansi sendiri dan resistansi g gandeng g antara antena dipole λ/2 dengan bayangan-bayangannya! Jika tahanan rugi-rugi driven elemen dianggap = 0, Tentukan persamaan gain kuat medan antena dengan reflektor terhadap antena tanpa reflektor Gf(φ)! Hitung Gain Masimum [dBi] ! Plotkan Gf(φ) untuk -π/6 π/6 ≤ Φ ≤ +π/6 π/6 !


63

Problem 10-7-2

A circular parabolic dish antenna has an effective aperture of 100 m2. If one 45° sector of the parabola is removed, find the new effective aperture. The rest of the antenna, including the feed, is unchanged.


64

Sector removed

45o

φ

φ

The full Th f ll di dish hh has an effective ff ti aperture t A Assuming i th thatt th the di dish h characteristics are independent of angle removing one 450 sector reduces the effective aperture to 7/8 of its original value provided the feed is modified and so as not to illuminate the area of the missing sector. However, the feed is not modified and, therefore, its efficiency is down to 7/8. Therefore, the net p efficiency y is ((7/8))2 and the net effective aperture p is aperture (7 / 8) 2 × 100 = 76.6 m 2 TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

65

G. Antena 2 Aplikatif G.1. G 1 Antena Yagi • 3-element Uda Yagi (endfire)

90

2.8096

120

60 2.2477

z

1.6858 150

d2

30 1.1238 0.56192

d1

180

0

y Reflector

210

330

Driver

x

240

Director

Reflector

300 270

Director

Driver TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

66

G. Antena 2 Aplikatif • Aplikasi Uda - Yagi

Antena Uda- Yagi adalah antena yang paling populer sebagai penerima untuk frekuensi VHF-UHF karena sifat-sifatnya : desain pencatuan t yang sederhana, d h h harga murah, h berat b t ringan, i relatif l tif dapat d t mencapai gain yang cukup tinggi Berhubung g frekuensi y yang g lebih tinggi gg mendapatkan p perlakuan p redaman yang lebih besar dari kanal udara, maka implementasi UdaYagi untuk frekuensi yang lebih tinggi memerlukan gain yang lebih tinggi. VHF

UHF

FM-Radio

(88MHz-108MHz)

3 element UY

TV (low)

(54MHz-88MHz)

3 element UY

TV (high)

(174MHz-216MHz)

5-6 element UY

TV

(470MHz-890MHz)

10-12 element UY


67

G. Antena 2 Aplikatif • Kriteria Desain Praktis Antena Yagi 1. 22. 3. 4 4. 5.

6.

7. 8 8.

Spasi antena yang semakin dekat akan meningkatkan Front to Back Ratio yang makin besar pada main beamnya. S i yang semakin Spasi ki llebar/renggang b / akan k menghasilkan h ilk sebaliknya b lik Tetapi, spasi yang makin lebar akan menghasilkan bandwidth yang lebih lebar. Memperbanyak jumlah director akan memperbesar gain, gain tetapi terdapat nilai optimal dimana penambahan jumlah director tidak memperbesar gain secara signifikan lagi Uda-Yagi Uda Yagi juga akan memiliki bandwidth lebih lebar jika reflektor dibuat lebih panjang dari optimum sedangkan director lebih pendek dari optimum. Folded dipole digunakan sebagai elemen driver untuk meningkatkan gain dan bandwidth yang lebih lebar. Bandwidth bisa diperlebar dengan mengganti reflektor dengan lembaran konduktor atau jaring kawat R fl kt sudut Reflektor d t bisa bi dipakai di k i untuk t k memperbesar b gain i dan d bandwidth b d idth TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

68

G. Antena 2 Aplikatif G 2 Turnstile Antenna G.2. z

E(r ) = E A (r ) + E B (r )

A dL

B

r

P

y

Small Cross-Dipole with quadrature current feeding:

I 0 = I z = jI x

x

βη e − j β r E A (r ) = j I z .dl . sin i θ .aˆ θ 4π r βη e − j β r E B (r ) = j I x .dl .(− cos θ cos φ .aˆ θ + sin i φ .aˆ φ ) 4π r TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

69

G. Antena 2 Aplikatif • Radiation Pattern 3-D Pattern of infinitesimal Turnstile Antenna z

Radiation in all directions! y

x

2-D x-z plane Field Pattern of Turnstile Antennas z

z

IInfinitesimal fi it i l Turnstile

Finite Length Turnstile

x


x

70

G. Antena 2 Aplikatif • Aplikasi Antena Turnstile 1.

Polarisasi sirkular pada arah broadside umumya digunakan untuk : Æ Komunikasi Kom nikasi satelit Æ Aplikasi radar

2 2.

Pada kendaraan angkasa

3.

TV broadcast transmit antenna :

Pada bidang xx-zz akan memiliki pola pancar hampir sirkular


71

G. Antena 2 Aplikatif G.3. G 3 Antena Mikrostrip • Struktur Patch Patch Feed

S b t t Substrate L ---εr

++++

++++ t ----

d


72

G. Antena 2 Aplikatif • Aplikasi A lik i Antena A t Mik Mikrostrip t i

• Bentuk Patch Rectangular

Dipole

1. Umumnya diaplikasikan untuk k komunikasi ik i yang memerlukan l k ukuran antena yang kecil, spt : Æ aircrafts, mobile, dll

Elliptical

Circular Ring

2. Bentuk patch dan pencatuan berkaitan dengan polarisasi, pola pancar impedansi, pancar, impedansi dll. dll 3. Efisiensi umumnya rendah, bandwidth sempit

Triangular

dan sebagainya….

4. Selalu dioperasikan untuk pancaran broadside 5 λ/3 < L < λ/2 andd 2 < εr < 12 5.


73

G. Antena 2 Aplikatif G 3 Antena Horn G.3. • Bentuk-Bentuk Antena Horn TE10

E-Plane sectoral horn

H-Plane sectoral horn

Pyramidal horn

• Aplikasi Antena Horn

Cukup luas digunakan sebagai antena primer ( feed element ) pada parabola, yang digunakan untuk : Aplikasi A lik i kkomunikasi ik i gelombang l b mikro ik fixed point to point Radio Astronomy Satellite tracking

Keuntungan : bandwidth lebar, ringan, mudah dibuat, gain cukup besar TE3423 - Antena dan Propagasi - Macam-macam Antena

74

H. Exotic Antenna H1 Q H.1. Quadrifilar d ifil H Helix li A Antenna t The Helical Antenna was invented by Kilgus in 1968. (see his papers)

Used for communication between mobile user and nongeostationary satellite systems

Gives Circular Polarisation in all directions, thus becomes independent of elevation angle of satellite.


75

H. Exotic Antenna H2 F H.2. Fractal t lA Antenna t


76

H. Exotic Antenna H 3 Slotted Waveguide Antenna H.3.

R di l line Radial li slotted l tt d waveguide id antennas

Single-layer millwave slotted waveguide antennas


77

Motto Kuliah

Antena dan Propagasi

“E Everything what can be transmitted can be received ” EM 6


78

Modul #05. Macam-macam Antena. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2008

Recommend Documents