Modul #06 PENNGUKURAN ANTENA. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2007

Modul #06 TE 3423 ANTENA DAN PROPAGASI

PENNGUKURAN ANTENA Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi gg Teknologi g Telkom Bandung – 2007

Organisasi Modul 6

Pengukuran Antena

• A. Pendahuluan

page 3

• B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena

page 8

• C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena

page 10

• D. Pengukuran Diagram Arah dan Diagram Fasa

page 20

• E. E Pengukuran P k Gain, G i Direktifitas, Di k ifi dan d Efisiensi Efi i i

page 24

• F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, dan Distribusi Arus

ppage g 38

• G. Pengukuran Polarisasi Antena

page 47

• H. Pengukuran g Temperatur p Antena

ppage g 52

TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

2

A. Pendahuluan S k Sekapur Si Sirih ih ... Pada bagian sebelumnya, telah menganalisa, mensintesa, dan menghitung karakteristik dari antena. Ada beberapa macam sebenarnya metoda analisa antena. Namun demikian, demikian ada banyak juga antena yang tidak dapat diteliti secara analitis disebabkan karena struktur dan metoda pencatuannya yang sangat rumit. Dalam beberapa tahun belakangan ini, dikembangkan metoda-metoda analisa yang p Teori Difraksi f Geometris dan Metoda Momen,, tetapi p tetap p saja j ada khusus seperti banyak antena yang tidak dapat dianalisis dengan cara itu. Karena itulah, kemudian diperlukan Pengukuran Antena, yang hasil-hasilnya dipakai untuk menguji data teoritis Terdapat T d t beberapa b b k lit kesulitan, k tik kita ketika kit akan k melakukan l k k pengukuran, k yaitu it : • Untuk antena besar, diperlukan pengukuran diagram arah yang 2 2 L terlalu jauh. Persoalannya adalah bahwa pantulan dengan berbagai r> λ benda-benda benda benda di sekitar daerah pengukuran akan sulit dihindari • Sering tidak praktis untuk memindahkan antena dari tempat operasi ke tempat pengukuran • U Untuk t k antena t tertentu t t t seperti ti Phased Ph d A Array ( Susunan S ddengan pengaturan t fasa f )), mengukur karakteristik antena memerlukan waktu yang cukup lama TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

3

A. Pendahuluan • Untuk sistem pengukuran outdoor, outdoor umumnya akan bergantung pada cuaca saat pengukuran • Teknik pengukuran membutuhkan peralatan dan biaya yang sangat mahal Sebagian dari kesulitan-kesulitan yang dihadapi tersebut dapat dipecahkan dengan : • Pemakaian teknik tertentu, seperti pengukuran medan dekat untuk prediksi medan jauh • Pengukuran dengan model diskalakan • Pemakaian peralatan khusus, misalnya : Otomatisasi dan komputerisasi, serta pemakaian ruang tanpa gema ( Anechoic Chamber ) Karakteristik antena yang diukur adalah , : • Diagram arah dan diagram fasa • Gain dan directivitas • Efisiensi • Impedansi, SWR, dan Bandwidth • Distribusi arus • Polarisasi • Temperatur antena TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

4

B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena Kebanyakan antena diukur sebagai penerima, sehingga diperlukan persyaratan ideal pengukuran , yaitu : Medan gelombang datar uniform ( Uniform Plane Wave ), beda fasa dan amplitudo

I B I. Beda d ffasa dari medan yang diterima di tiap titik elemen antena diinginkan = 0, r+δ P

r

D = dimensi fisik antena P = titik observator D r = jarak travelling gelombang dari tengah antena r + δ = jarak j k travelling lli gelombang l b dari d i tepii antena

δ Dari Phytagoras, didapatkan : 2π o Beda fasa = δ = 360 × 2 a 2 λ λ (r + δ ) = r 2 + 4

r << a δ << r

2

D r≈ 8δ

D 2 Dari rumusan yang didapatkan, didapatkan beda fasa = 0 akan dicapai pada jarak r tak δ≈ 8r berhingga ( Tidak mungkin diaplikasikan ) Æ Perlu toleransi !! TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

5

B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena S hi Sehingga, k kemudian…. di Cutler, King, dan Koch merekomendasikan toleransi beda fasa sebesar 22,5o atau ,

λ δ= 16 Sehingga, jarak minimum pengukuran antena adalah : D2 r ≈ 8δ

δ=

λ 16

atau

rmin

2D 2 ≈ λ

Asumsi jarak ini sering dipakai sebagai b i persyaratan medan d jjauh h !!

rmini

kD 2 ≈ λ

Sebagai rumusan umum jika g toleransi beda fasa diinginkan lainnya


6

B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena II. Amplitudo dari kuat medan yang diterima di tiap titik elemen antena diinginkan uniform •

Lengkung L k (taper) ( ) amplitudo li d harus h cukup kecil

•

Ripple amplitudo harus cukup kecil

•

Polarisasi silang harus High Purity

•

Pada range pengukuran outdoor, variasi kuat medan dapat disebabkan oleh interferensi gelombang langsung dan gelombang pantul dari tanah atau objek l i lain

Variasi medan hendaknya ≤ 0,25 dB


7

B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena III. Hal berikutnya yang harus diperhatikan diperhatikan, untuk menghindari kesalahan ukur : Keinginan untuk mencapai :

• • • • • •

Frekuensi sistem stabil Kriteria medan jauh dipenuhi Li k Lingkungan bebas b b pantulan t l / refleksi fl k i Lingkungan bebas noise dan interferensi benda sekeliling Impedansi dan polarisasi yang sesuai Antena diarahkan sesuai/berimpit dgn sumbu utama

Namun kondisi ideal di atas sangat sulit dicapai karena kondisi-kondisi yang melekat saat pengukuran, yaitu : • P Pengukuran k antena sering i selalu l l dipengaruhi di hi pantulan t l gelombang l b yang tidak tid k diinginkan • Pengukuran ideal akan memerlukan jarak ukur yang terlalu besar • Sangat kompleks jika jik melibatkan lib tk sistem i t antena t kkeseluruhan l h (Mi (Misall : pengukuran k antena pada pesawat ) • Pengukuran Outdoor memberikan kondisi lingkungan EM yang tidak terkontrol • Pengukuran Indoor tidak mengakomodasikan pengukuran antena antena-antena antena besar • Secara umum teknologi pengukuran antena sangat mahal TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

8

B. Persyaratan Umum Pengukuran Antena Untuk mengurangi pengaruh refleksi refleksi, terutama yang berasal dari pantulan tanah : • Menara dibuat sangat tinggi • Penggunaan absorber pada menara • Bahan menara terbuat dari fiber glass • Pada P d antena t dengan d gain i sangatt tinggi ti i Æ beam b kke tanah t h lemah l h

Absorber

h1

Menara Fiber


h2

9

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Berkaitan dengan lingkungan saat pengukuran pengukuran, terdapat 2 macam Medan ukur ( pada referensi yang lain disebut Antenna Range ), yaitu : ((1)) Medan Refleksi ( Reflection f Ranges g ) • Medan langsung dan pantul membentuk penurunan yang kecil simetris ke tepi • Desain medan ukur refleksi cukup kompleks dan tergantung pada koefisien refleksi tanah. Parameter desain utamanya adalah menentukan ketinggian AUT ( Antenna Under Test )

(2) Medan Ruang Bebas

( Free Space Ranges )

•

Outdoor Free Space Ranges a. Medan ditinggikan ( Elevated Range ) b. Medan dimiringkan ( Slant Range )

•

Indoor Free Space Ranges a. Anechoic Chamber b. Compact Antenna Test Range (CATR)

•

Near Field - Far Field Method

Terdiri dari


10

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Medan Refleksi ( Reflection Ranges )... ) • Medan refleksi didesain sedemikian hingga gelombang pantul menjadi interferensi yang bersifat konstruktif, dan daerah tes AUT adalah daerah gelombang datar serbasama (uniform plane wave) • Desain medan ukur refleksi cukup kompleks dan tergantung pada koefisien refleksi tanah. Parameter desain utamanya adalah menentukan ketinggian AUT ( Antenna Under Test ), ) sedangkan ketinggian antena sumber biasanya diketahui

Detail pengukuran dengan medan refleksi dapat dilihat pada paper berikut : L.H. Hemming and R.A. Heaton, “Antenna gain calibration on a ground reflection range,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. AP-21, pp. 532-537, July 1977. TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

11

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena M d Diti Medan Ditinggikan ik ( Elevated El t d Ranges R ) )... α

Rx D

Tx

Kriteria dan persyaratan umum : • Antena umumnya ditempatkan pada menara atau bangunan yang tinggi

β

• Kondisi Line Of Sight tercapai

h1

h2

• Antena sumber memiliki gain yang tinggi / side lobe rendah , sehingga energi gelombang tidak ada yang diarahkan ke permukaan bumi • Diasumsikan bumi datar (smooth earth)


12

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Medan Dimiringkan ( Slant Ranges ) ... Kriteria dan persyaratan umum : • AUT ( Antenna Under Test ) ditempatkan pada ketinggian tetap diatas non conducting tower ( Misal : terbuat dari fiberglass ) • Antena sumber harus memiliki null ke arah tanah ( atau sidelobe cukup kecil ) • Memerlukan situasi daerah terbuka untuk meminimisasi pantulan dari bangunan-bangunan


13

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Anechoic Chamber ... • Anechoic Chamber adalah ruang tanpa gema yang populer untuk pengukuran terutama untuk antena gelombang mikro. • Anechoic chamber memberikan ketepatan pengukuran dan lingkungan elektromagnetika yang terkontrol, serta berfungsi sebagai suatu sangkar k Faraday d sehingga hi mencegahh interferensi i f i EM dari dalam dan/ke luar ruangan.


14

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Anechoic Chamber ...

• Anechoic chamber pertamakali dikembangkan selama Perang Dunia II oleh Jerman dan Amerika Serikat. Pembuatan anechoic chamber menjadi mungkin setelah materi penyerap gelombang RF ditemukan dan tersedia secara komersial • 2 macam tipe anechoic chamber adalah : a. Tapered chamber (menyempit) b. Rectangular chamber (persegi)

Ripple

Test Zone

Tapered chamber

Rectangular chamber


15

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Compact Antenna Test Range (CATR) ... Batasan yang dimiliki anechoic chamber adalah jarak untuk memenuhi syarat medan jauh. jauh Hal ini diatasi oleh 2 pendekatan : • Pembuatan CATR yang memungkinkan pembangkitan uniform plane wave pada jarak yang sangat dekat menggunakan pemantul parabola • Transformasi medan dekat ke medan jauh ( near field - far field method ) Paraboloidal sebagai pemantul gelombang harus dibuat sepresisi mungkin dengan dimensi 3 atau 4 kali dimensi antena yang diukur untuk memberikan karakteristik uniform f plane l wave yang baik. b ik Daerah pengukuran antena (disebut quite zone ) yang dicapai CATR umumnya antara 50-60 % dari ukuran reflektor. Sedangkan phase error kurang dari 10%, dan deviasi ripple dan amplitudo tapper kurang dari 1 dB TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

16

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Near Field - Far Field (NF/FF) Method ... • Antenna Under Test pada Mode Radiasi. • Amplituda medan, fasa, dan polarisasi diukur pada medan dekat, selanjutnya data medan dekat tersebut ditransformasikan ke pola medan jauh dengan teknik analisis matematis yang diimplementasikan pada software komputer • Pada metoda ini, probe ukur bergerak pada bidang datar, silinder atau bidang bola. Pola medan jauh akan didapatkan dengan Fast Fourier Transform • Lihat paper-paper berikut untuk mempelajari metoda NF/FF : • R.C. Johnson,, H.A. Ecker,, and J.S. Hollis,, “Determination off ffar-field f antenna patterns from near-field measurements,” Proc. IEEE, vol. 61, No. 12, pp. 16681694, Dec. 1973. • D.T. Paris, W.M. Leach, Jr., and E.B. Joy, “Basic theory of probe compensated nearffield measurements,” , IEEE Trans. on Antennas and Propagation, p g , vol. AP-26,, No. 3,, pp. 373-379, May 1978. • E.B. Joy, W.M. Leach, Jr., G.P. Rodrigue, and D.T. Paris, “Applications of probe compensated near-field measurements,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. AP AP-26, 26, No. 3, pp. 379 - 389, May 1978. • A.D. Yaghjian, “An overview of near-field antenna measurements,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. AP-34, pp. 30-45, January 1986. 17 TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Pengukuran model diskalakan • Pada pemakaian di kapal laut, kapal terbang, pesawat ruang angkasa yang besar dan sebagainya, jika dilakukan pengukuran sesungguhnya maka struktur bisa sangatt besar b sehingga hi antena t tidak tid k bisa bi dipindahkan di i d hk ke k medan d ukur k untuk t k di ukur. • Selain itu pemindahan akan menghilangkan atau mengganti keadaan lingkungan yang berlainan dengan kondisi sebenarnya sebenarnya. Untuk memenuhi syarat teknis, maka biasanya dilakukan pengukuran setempat. • Suatu teknik yang dapat dilakukan untuk melaksanakan pengukuran antena yyang g berhubungan g dengan g struktur yyang g sangat g besar adalah dengan g modelling g skala geometris. Pemakaian modelling ini bertujuan untuk : (1) Dengan medan ukur yang kecil, dapat diakomodasikan pengukuran yang dapat direlasikan dengan struktur yang sangat besar (2) Memungkinkan dilakukannya kontrol eksperimental terhadap pengukuran, (3) Minimisasi biaya yang berhubungan dengan struktur yang sangat besar, dan studi parameter parameter-parameter parameter eksperimental yang sesuai TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

18

C. Teknik-Teknik Pengukuran Antena Modelling skala geometris dengan suatu faktor p, p yaitu p > 1 atau p < 1 memerlukan skala berikut : Parameter yg diskalakan

Parameter yg tetap p

panjang

L’ = L p

permitivitas

ε

waktu k

t’ = t / p

permeabilitas bili

μ

panjang glb

λ’ = λ / p

kecepatan gelombang

v

kapasitansi

C’ = C / p C

impedansi

z

daerah gema

Ac’ = Ac / p

gain

G

frekuensi

ff’ = f p

konduktivitas

σ’ =σ p

D l Dalam praktek, kt k sering dipakai p > 1 → σ’ ≈ tetap TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

19

D. Pengukuran Diagram Arah Medan dan Diagram Arah Fasa

Pengukuran diagram arah dilakukan pada suatu permukaan bola dengan radius konstan. Sedemikian, bahwa diagram arah dapat kita duga adalah 3 dimensi. Namun akuisisi pola 3D adalah tidak praktis, sehingga potongan orthogonal diagram arah 2D lebih sering ditampilkan. Sistem pengukuran diagram g arah medan

Antena sumber / antena referensi : f < 1 GHz : Log periodik / dipole λ/2 f > 400 MHz : Parabola / Horn dengan bandwidth lebar

Sistem penempatan dan pengarahan : berupa suatu penyangga yang dapat diputar (azimuth dan elevasi), dikontrol, dengan indikator posisi

Sistem penerima : bisa sederhana berupa p detektor langsung, atau cukup kompleks (heterodyne+PLL, dsb)

Pemancar : Frekuensi stabil dan dapat dikontrol, spektrum murni (spurious dan harmonisa kecil)

Sistem perekam dan pencatat, ada 2 macam : (1) Linear / orthogonal (dpt di-spread) , (2) Polar Sistem Pemroses Data berfungsi untuk komputasi TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

20

D. Pengukuran Diagram Arah Medan dan Diagram Arah Fasa • Pada P d pengukuran k di diagram arah, h tiap titik ukur diidentifikasi sebagai ( θ,φ ) dalam koordinat bola dengan R dibuat konstan, sedangkan antena ditempatkan pada koordinat ( 0,0,0 ) • Pengukuran lengkap diagram arah meliputi pengukuran diagram arah medan listrik dan medan magnet , serta masing-masing diagram fasanya. Diagram arah medan

E θ = f1 (θ, φ)

E φ = f 2 (θ, φ)

H θ = f 3 (θ, φ)

Diagram arah fasa

δ θ = g1 (θ, φ)

ηφ = g 2 (θ, φ) ζ θ = g 3 (θ, φ)

γ φ = g 4 (θ, φ) H φ = f 4 (θ, φ) • Diagram arah sesungguhnya 3D 3D, tetapi t t i ditampilkan dit ilk potongan t 2D. 2D Biasanya Bi akan dipilih 2 bidang saja yang mewakili untuk menyatakan E dan H dominan. Misal : • Pada φ konstan ( 0 ≤ φ ≤ 2π ) , dengan θ variabel ( 0 s/d π ) • Pada θ konstan ( 0 ≤ θ ≤ π ) , dengan φ variabel ( 0 s/d π TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

21

D. Pengukuran Diagram Arah Medan dan Diagram Arah Fasa • Pada pengukuran diagram fasa, ada 2 macam sistem dasar yaitu : (1) sistem dengan sinyal referensi yang didapat dari sumber melalui saluran transmisi, (2) sistem yang memakai referensi berupa sinyal yang diterima dari antena yang tetap dan d didekatkan did k k antena yang diukur. di k • Pada sistem pertama, dipakai untuk pengukuran medan dekat atau medan yang berjarak tidak jauh dari sumber. Sedangkan sistem kedua dipakai untuk pengukuran medan d jauh. j h Diagram Di kedua k d sistem i ini i i dapat d dilihat dilih pada d halaman h l berikutnya. b ik • Pengukuran diagram fasa dilakukan dengan memutar antena yang diukur, sedangkan antena yang tetap bertindak sebagai referensi. Rangkaian pengukur fasa d dapat bberbentuk b k sistem i heterodyne h d 2 kanal. k l Pengukuran diagram fasa


22

D. Pengukuran Diagram Arah Medan dan Diagram Arah Fasa Diagram Sistem Pengukuran Peng k ran Fasa

(a) Medan dekat

antena yang diukur sumber Rangkaian pengukur fasa

probe gerak referensi yang diukur

kabel fleksibel

antena tetap

(b) Medan Jauh

referensi Rangkaian pengukur fasa antena yang diukur

sumber jauh

alat putar TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

23

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi

I. Pengukuran Gain • Pengukuran gain, secara esensial membutuhkan persyaratan yang sama seperti pada pengukuran diagram arah, namun tidak terlalu sensitif terhadap pantulan dan interferensi EM • Untuk frekuensi di atas 1 GHz digunakan medan ukur ruang bebas ( free space range ), sedangkan untuk frekuensi antara 0,1 sampai 1 GHz digunakan medan ukur refleksi fl k i ( ground d reflection fl range ) • Pada frekuensi di bawah 0,1 GHz, dimensi antena menjadi sangat besar dan umumnya gain langsung diukur pada tempat operasinya. Sedangkan untuk frekuensi di bawah 1 MHz (umumnya untuk groundwave), groundwave) gain tidak biasa diukur dan yang diukur adalah medan listrik yang dihasilkannya. • Gain, direktivitas, dan efisiensi memiliki hubungan rumus yang sudah kita kenal :

Gain = ηeff × Direktivitas TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

24

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda Pengukuran Gain Metoda yang dipakai untuk mengukur gain antena ada beberapa macam, yaitu : • Cara 2 antena

Metoda pengukuran k gain

A. Pengukuran absolut • Dibandingkan terhadap antena isotropis • Digunakan untuk kalibrasi standar

• Cara 3 antena • Ekstrapolasi medan dekat • Medan refleksi tanah

B. Pengukuran g banding g / relatif • Perlu antena pembanding / referensi • Estimasi gain untuk antena referensi : Dipole λ/2 G = 2,1 dB ( Polarisasi linear, kecuali jika ada pantulan menyebabkan polarisasi eliptik) Horn piramid

12 dB ≤ G ≤ 25 dB ( Polarisasi eliptik dengan axial ratio AR antara ( 40 dB ≤ AR ≤ ∞ )


25

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi (a) Pengukuran gain absolut frekuensi tunggal Jika BW <<

Rangkaian kopling terkalibrasi Tuner

R

Tuner

Tuner

Tuner

Coupler Adaptor

Adaptor Attenuator

Peralatan P l t yang dites A

Peralatan P l t yang dites B

Tuner Titik ukur penerimaan

Titik ukur pancaran Sumber

(b) Pengukuran gain absolut frekuensi sapu Jika BW >>

Counter

Sinyal pengatur Sinyal frekuensi sapu

Coupler

Antena pemancar Coupler Peredam variabel

Referensi frekuensi

Antena penerima

Sinyal pancar referensi

Peredam presisi variabel Sinyal terima

Perekam Sistem X-Y penerima TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

26

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda 2 Antena ( Two-Antenna Two Antenna Method ) • Sering juga disebut sebagai metoda resiprositas ( reciprocity method ) • Prinsip dasar : Membandingkan daya yang masuk ke antena Tx dengan daya yang diterima antena Rx dengan konsep Transmisi Friis, setelah jarak antara kedua antena diketahui

⎛ λ ⎞ W R = WT G T G R ⎜ ⎟ ⎝ 4 πr ⎠ GT = GR = G G=

2

WR ⎛ 4 πr ⎞ ⎜ ⎟ WT ⎝ λ ⎠

• Antena yang digunakan adalah 2 buah antena identik, satu digunakan sebagai antena pemancar dan satu digunakan g antena ppenerima sebagai

G ( dBi )

1⎡ 4πR WR ⎤ + 10 log = ⎢20 log ⎥ 2⎣ λ WT ⎦


27

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda 3 Antena ( Three-Antenna Three Antenna Method ) • Digunakan jika antena yang diukur tidak identik • Prinsip dasar : Membandingkan 3 kombinasi daya yang masuk ke antena Tx dengan daya yang diterima antena Rx dengan konsep Transmisi Friis, setelah jarak antara kedua antena diketahui • Diukur 3 kombinasi antena (1-2), (1 2) (1-3), dan (2-3) • Yang diukur adalah : jarak R, λ, dan perbandingan antara daya terima dengan daya kirim

Antena#1 ke Antena#2

⎡ 4πR WR 2 ⎤ G1 + G 2 = ⎢20 log + 10 log ⎥ λ W T1 ⎦ ⎣ Antena#1 ke Antena#3

⎡ WR 3 ⎤ 4πR + 10 log G1 + G 3 = ⎢20 log ⎥ λ W T1 ⎦ ⎣ Antena#2 ke Antena#3

⎡ WR 3 ⎤ 4πR G 2 + G 3 = ⎢20 log + 10 log ⎥ W λ T2 ⎦ ⎣


28

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda 3 Antena ( Three-Antenna Method )

• Sehingga kita akan dapatkan kombinasi persamaan berikut :

G1 + G 2 = A ( dBi ) G1 + G 3 = B( dBi ) G 2 + G 3 = C ( dBi )

3 persamaan dengan 3 variabel yang tidak diketahui, dapat mudah diselesaikan :

A+B−C (dBi ) G1 = 2 A−B+C (dBi ) G2 = 2 −A+B+C (dBi ) G3 = 2


29

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda Medan Refleksi Tanah ( Ground Reflection Method ) • Adalah teknik pengukuran yg dipakai untuk antena frekuensi < 1 GHz GH ddengan bberkas k agak k llebar b • Memperhitungkan pengaruh refleksi bumi Da

Db

• Dapat dipakai metoda 2 antena atau 3 antena • Syarat : Polarisasi horisontal, karena refleksi pada polarisasi horisontal sangat bervariasi. S hi Sehingga, antena t vertikal tik l akan k diukur secara horisontal


30

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi • Metoda medan refleksi tanah hanya y dipakai p pada antena dengan p g p polarisasi linier dan untuk antena loop harus dilakukan modifikasi • Pada medan refleksi tanah : diukur parameter-parameter daya derima, daya kirim, y saat medan maksimum dan minimum,, sehingga gg gain g dan jjarak untuk 2 keadaan,, yaitu akan dapat dihitung. max hr ht Medan maksimum Medan minimum

¿

min hr ’ h t’

⎛ 4πR D Wr rR D ⎞ ⎟⎟ G a + G b = 20 log + 10 log − 20 log⎜⎜ D a D b + λ Wt RR ⎠ ⎝ ⎛ ⎞(D ' D ') − R ' D D ⎜ R D ⎛⎜ Wr D a b Wr ' ⎟⎠ a b ⎛ R R R R ' ⎞⎜ ⎝ ⎟⎟ r = ⎜⎜ ⎜ ⎞ +R ' ⎝ R D R D ' ⎠⎜ R R ⎛⎜ Wr ⎟ R W ' r ⎝ ⎠ ⎝ TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ 31

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi M d Ekstrapolasi Metoda Ek l i Medan M d Dekat D k Metoda ekstrapolasi adalah metoda pengukuran gain absolut yang dapat dilaksanakan dengan metoda 3 antena dan dikembangkan untuk mereduksi kesalahan-kesalahan karena medan antena, lintasan ganda, dan karena ketidak-identikan antena. Metoda ini dapat pula mengukur polarisasi asal paling banyak hanya satu antena yang berpolarisasi sirkular. Pada cara ekstrapolasi medan dekat : Antenna Under Test (AUT) berlaku sebagai pemancar dan probe ukur penerima ditempatkan sangat dekat dengan apertur antena pemancar (AUT). Cara ini meng-asumsikan bahwa semua daya yang terpancar melalui apertur Ap. Sedangkan hasil ukur E(x,y) dapat diekstrapolasi untuk mneliti karakteristik medan jauhnya Pada metoda ini, diperlukan pengukuran amplitudo dan fasa jika diinginkan gain dan polarisasi. Sedangkan jika hanya gain, maka cukup hanya amplitudo saja yang diukur.


32

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda Ekstrapolasi Medan Dekat... Gain absolut thd isotropik diperoleh dari relasi BRACEWELL :

4πAp A G= 2 λ

dengan dengan,

1

*

⎡ E(x, y ) ⎤ ⎡ E(x , y )⎤ 1 dxdy ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ∫∫ Ap Ap ⎣ E av ⎦ ⎣ E av ⎦ E(x,y) E(x y) Ap *

= medan listrik di koordinat (x,y) (x y) pada apertur = apertur fisik AUT = konjugat kompleks

1 E(x , y )dxdy E av = ∫∫ Ap Ap


33

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Metoda Perbandingan Gain ( Gain-comparison Gain comparison Method ) • Sering juga disebut sebagai Gain Transfer Method p dasar : • Prinsip Memerlukan antena referensi yang nilai gainnya sudah pasti diketahui • Prosedur ini memerlukan 2 kali pengukuran. Pertama antena yang diukur p sebagai g penerima p dengan g polarisasi p yang y g sesuai dan daya y yang y g ditempatkan diterima dicatat. Kemudian antena referensi diukur juga dengan cara yang sama (polarisasi, orientasi, dan posisi) p : • Maka ggain absolut terhadapp isotropik

⎛ WRX ⎞ ⎟⎟[dBreff ] G AUT [dBi] = G REF [dBi] + 10 log⎜⎜ ⎝ WREF ⎠ WREF = daya terima antena referensi WRX = daya terima AUT GREF = gain i antena t referensi f i absolut b l t terhadap t h d isotropik i t ik (diketahui) (dik t h i) TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

34

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi II Pengukuran Direktivitas II. • Direktivitas biasanya diperoleh dari perhitungan jika fungsi diagram arah diketahui dan fungsi itu didekati dengan membuat kurva diagram arah atas dasar pengukuran. Dengan menghitung lebar berkas misalnya dengan komputer, maka pengarahan D dapat dihitung dari :

4π D= B

dengan

f (θ, φ) ∫∫ B= sin i θ dθ dφ f (θ, φ)max

• Dari definisi,,

f (θ, φ) = fungsi intensitas radiasi ternormalisasi terhadap sudut ruang θ f (θ, φ)max dan φ ( daya per radian persegi )

maka, dapat diperoleh dari kuat medan listrik

B = ∫∫ Pn (θ, φ)sin θ dθ dφ Pn (θ,φ) adalah “ normalized power pattern “

Eθ + Eφ 2

Pn =

(E

2 θ

+ Eφ


2

2

)

max

35

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi Pengukuran Direktivitas... • Untuk diingat kembali, jika f (θ,φ) diketahui, maka lebar berkas B akan dapat dihitung. • Sedangkan untuk antena unidirectional dan D > 10, lebar berkas dapat didekati dari rumus :

B ≈ θ1 ×φ1 2

2

• Untuk polarisasi sirkular dan elliptis, maka pengukuran dilakukan 2 kali, sehingga : dengan syarat pada polarisasi liniernya terdapat polarisasi silang θ φ < - 4 dB

D=D +D


36

E. Pengukuran Gain, Direktivitas, dan Efisiensi III P III. Pengukuran k Efi Efisiensi i i • Efisiensi biasanya dihitung setelah gain G dan direktivitas D didapat dari hasil ppengukuran g yyang g sudah dilakukan. Efisiensi dinyatakan y oleh rumus berikut :

ηeff

G = D

• Untuk antena sederhana, efisiensi didapat dari perhitungan :

ηeff

Rr = RA

Rr tahanan pancar (dari perhitungan) RA impedansi antena / terminasi (dari pengukuran)

• Untuk antena terpasang, rugi-rugi termasuk rugi-rugi oleh keadaan sekeliling


37

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus I. Pengukuran Impedansi ( dan SWR ) Pengukuran Impedansi dapat harus tetap memenuhi syarat bahwa antena bebas dari pengaruh sekitarnya (ingat konsep impedansi gandeng) sedemikian sedemikian, alat ukur pada pengukuran langsung akan memiliki jarak terhadap antena yang diukur.

Impedansi dapat

((1)) Dari p pengukuran g SWR / Koefisien Refleksi serta jarak minimum pertama

diukur dengan 2 macam cara, ca a, yaitu ya u : (2) Pengukuran langsung dengan menggunakan jembatan atau dengan Network Analyzer ( Umumnnya akan lebih presisi )


38

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus (1) Pengukuran Impedansi ( Melalui M l l i Pengukuran P k SWR / Koefisien K fi i Refleksi R fl k i ) Impedansi antena dihitung dari koefisien refleksi yang terukur pada terminal antena. Di bawah ini adalah kaitan beberapa p pengukuran p g dengan g ppengukuran g impedansi p Pengukuran

Standing Wave Ratio

Ukur : • Vmax • Vmin • Fasa koefisien pantul

SWR =

Impedansi Antena

1+ Γ Z A = Z0 1− Γ

Vmax Vmin Koefisien Pantul

SWR − 1 SWR + 1 1⎞ ⎛d θΓ = 720 0 × ⎜ vm − ⎟ 4⎠ ⎝ λ Γ =

Γ = Γ ∠θ Γ


39

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus Sensor koefisien refleksi dapat berupa Slotted Coax Line atau berupa Directional Coupler. Sedangkan pengukuran koefisien refleksi dihitung dari distribusi tegangan yang diukur sepanjang perangkat tersebut (1) Slotted Coax Line • Instrumen sederhana dan murah • Ada bocoran medan pada celah • Tidak p praktis untuk frekuensi sapu p Slotted coax line

(2) Directional Coupler • Praktis untuk frekuensi sapu • Tidak ada bocoran medan pada celah • Perlu instrumen yang rumit dan mahal Directional Coupler

ground plane

coaxial line to voltage probe

output utk VL (wave to left)

sliding carriage

inner conductor

output connector

L

air

R1 monopole

λ Vmin (short )

2

Vmin (short )

x V min

sumber

R1 L t t utk tk VR output (wave to right)

Vmin (antena ) TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

output connector

40

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus Pada slotted coax line, pengukuran dilakukan 2 kali : • Ketika antena dilepas, dibuat short circuit pada terminal beban sehingga dapat dicari 2 posisi tegangan minimum ( Vmin i (short) )yang berurutan. Jarak antara kedua posisi tegangan minimum yang berurutan adalah ½λ • Ketika antena dipasang, dapat dicari posisi tegangan minimum Vmin(ant) di dalam slotted line , maka :

xvm = Selisih jarak antara Vmin(ant) I dgn Vmin(short) I dan

⎛ x vm 1 ⎞ θΓ = 720 × ⎜ − ⎟ 4⎠ ⎝ λ 0

λ = panjang gelombang di dalam slotted line

λ=

v c dengan k = velocity factor =k f f


41

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus (2) Pengukuran Impedansi ( Cara Langsung ) Pengukuran Impedansi harus tetap memenuhi syarat bahwa antena bebas dari pengaruh sekitarnya, sehingga pengukuran impedansi harus dua kali , yaitu • Pengukuran impedansi antena bersama-sama dengan saluran transmisi, ZA+K • Pengukuran saluran transmisi saja yang dihubung singkat , ZKS Harus diperhatikan H di h tik jjuga panjang j gelombang l b dalam d l saluran l transmisi. t i i Umumnya U kecepatan gelombang dalam saluran transmisi , v ≠ c. Sehingga,

v c λ= =k f f

k = velocity factor


42

Pengukuran Impedansi Cara Langsung

(1)

L

Z=0

Zin = ZKS (2)

Z=0

Zin = ZA+K

L

ZKS

ZA

ZA+K L

SWR = K

L

ZA

Dengan memutar inpedansi ZA+K pada lingkaran SWR yang t t melalui tetap l l i sudut d t dan d arah yang sama dengan pemutaran ZKS, maka p impedansi p akan didapat antena, ZA


43

Pengukuran Langsung Untuk Saluran Meredam Untuk saluran meredam, impedansi antena didapat dengan memperhatikan bahwa bah a : r1

l1 l 2 = r1 r2

Z=0 r2

l1

Sedangkan konstanta redaman dapat pula dicari dari hubungan :

l2

L

SWR = K

ZKS

SWR = K’

ZA

ZA+K L


K '−1 Γ0 = K '+1

K=

1 + Γ0 e −2 αL 1 − Γ0 e − 2 αL 44

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus

II Pengukuran Bandwidth II. • Pengukuran bandwidth

DC

dilakukan dengan sebelumnya melakukan pengukuran SWR pada range frekuensi tertentu dengan menggunakan Sweep Generator dan Osiloskop Lissajous

y

sweep generator

x osiloskop

• Bandwidth ditentukan berdasarkan batas maksimum VSWR yang sudah terdefinisi ( 1 1 ; 1,2 1,1 1 2 ; 1,35 1 35 ; atau 1,5 15)

VSWR BW

1,1

fL

fH

f


45

F. Pengukuran Impedansi, SWR, Bandwidth, & Distribusi Arus

III Pengukuran Distribusi Arus III. • Pengukuran distribusi arus kadangAntena

kadang dilakukan untuk meramalkan / menghitung E, H, diagram arah, distribusi pada medan jauh maupun medan dekat U u antena a e a tertentu, e e u, kadang-kadang ada g ada g • Untuk distribusi arusnya sulit diperkirakan, sehingga harus diukur. p teknik ppengukuran g yyang g dapat p • Ada beberapa dipakai : salah satu cara yang sederhana adalah dipakai loop kecil untuk mencuplik arus dengan menempatkan loop tersebut didekat radiator (antena) • Syarat : - Jarak sensor / loop ke konduktor harus tetap - Kadang-kadang K d k d perlu l choke h k untuk t k isolasi i l i


46

G. Pengukuran Polarisasi Antena θ = 0o

• Polarisasi didefinisikan sebagai aˆ r

θ

aˆ φ

aˆ θ

lokasi antena

θ= 90o φ= 0o

θ= 90o φ= 90o

y berbentuk ellips p dan • Polarisasi biasanya pada sistem koordinat bola dibentuk oleh komponen medan listrik di arah θ dan φ ( Eθ dan Eφ)

φ

Arah propagasi

Right hand / putar t k kanan

“ Kurva yang dijejaki oleh kuat medan listrik sesaat yang dipancarkan oleh pada frekuensi f tertentu pada p antena p bidang tegak lurus arah radial “, seperti ditunjukkan gambar di samping !

• Umumnya karakteristik polarisasi antena ditentukan oleh : (1) Perbandingan sumbu (axial ratio : AR), (2) Arah putar ( CW atau CCW ) , (3) Right Hand (RH) atau Left Hand (LH), dan (4) Sudut condong (tilt angle = τ)

Left hand / putar kiri TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

47

G. Pengukuran Polarisasi Antena • H Harus diperhatikan, di h tik b h umumnya polarisasi bahwa l i i antena t akan k tidak tid k sama untuk arah yang berbeda. Sedemikian, polarisasi akan tergantung pada sudut pengamatan. • Metode pengukuran polarisasi dikategorikan atas 3 macam metode : - Metode parsial :

Sederhana, tetapi tidak memberikan informasi g p dan pperalatan yyang g dibutuhkan cukupp lengkap konvensional

- Metode perbandingan Memberikan informasi lengkap dan membutuhkan : standar polarisasi

- Metode absolut:

Memberikan informasi lengkap dan tidak membutuhkan standar polarisasi

• Metode yang dipilih dalam mengukur polarisasi tergantung kepada : macam antena yang diukur, ketelitian yang disyaratkan, waktu , yang g tersedia. dan dana y TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

48

G. Pengukuran Polarisasi Antena • Salah satu metoda parsial yang cukup populer adalah Polarization-Pattern Method yang menghasilkan parameter polarisasi ellips ( axial ratio dan tilt angle )

( Polarization pattern method )

• Pada metode ini, AUT dapat berada pada receiving mode atau transmitting mode. Sedangkan probe harus terpolarisasi linear ((misalnya y : dipole) p ) dan pola p pancarnya p y sudah diketahui dengan baik. • Arah radiasi dispesifikasikan oleh sudut ( θ dan φ )

( Axial ratio pattern method )

Axial ratio ppattern method termasuk salahsatu dari metoda parsial.

• Sinyal pada output probe tergantung dari 2 faktor, yaitu : (1) Polarisasi antena , dan (2) Sudut rotasi probe. • Level sinyal diukur dan direkam, versus sudut rotasi. Sehingga pola polarisasi didapatkan dengan memperhatikan arah radiasi.


49

G. Pengukuran Polarisasi Antena • Polarisasi Linear Misalkan probe terpolarisasi linear sepanjang sumbu-z, dan radiasi antena diasumsikan pada sumbu-z’, maka hasil pengukuran pada gambar disamping ini memperlihatkan bahwa AUT terpolarisasi linear

Polarization-pattern method tidak memberikan informasi mengenai arah rotasi TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

50

G. Pengukuran Polarisasi Antena • Polarisasi Sirkular

• Polarisasi Elliptik

Contoh hasil pengukuran polarisasi. G b menunjukkan Gambar j kk polarisasi l i i mendekati polarisasi sirkular TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

51

H. Pengukuran Temperatur Antena • Temperatur antena menyatakan daya derau yang diterima antena, antena yaitu :

Wn TA = k BN

Dimana, TA Temperatur antena , ( oK ) Wn Daya derau yg diperoleh dari terminal antena penerima k Konstanta Boltzman, ( 1,38.10-23 Joule / oK ) B Lebar bidang frekuensi sistem

• Karena derau d yang diterima dit i antena t bergantung b t kepada k d arahh antena, t maka k pada d pengukuran temperatur antena lobe utama diarahkan kepada arah / zenith yang “kosong” atau sumber derau yang besar (mis. matahari, pusat galaksi, dll ) tidak pada lobe utama antena terletak p


52

H. Pengukuran Temperatur Antena Metoda pengukuran dapat dilihat sebagai berikut. Disini digunakan generator derau sebagai pembanding. Pembacaan indikator dibuat sama, dalam keadaan penerima terhubung ke antena dan ke generator derau. Yaitu saklar S pada posisi 1 dan 2, sehingga gg : Temperatur p antena = Temperatur p ggenerator derau Antena adjustable

Generator derau

1 2

Treff

Penerima d derau rendah

Indikator d daya d derau

Adjustable Noise Generator Beban

Treff =

Ts = 4o K (He) = 80o (N)

Ts ⎛ 1⎞ + T0 ⎜1 − ⎟ L ⎝ L⎠

Peredam L variabel

Treff

Output

B N , T0 = 290 o K

N reff = k Treff B N

Jika, 1 < L < ∞, maka Ts < Treff < T0 TE3423 - Antena dan Propagasi - Pengukuran Antena

53

Modul #06 PENNGUKURAN ANTENA. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2007

Recommend Documents