Modul #08 TE 3423 ANTENA DAN PROPAGASI Propagasi Gelombang EM: Gelombang Ruang dan Gelombang Ruang Bebas Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi gg Teknologi g Telkom Bandung – 2007
Organisasi Modul 8
Gelombang Ruang dan Gelombang g Ruangg Bebas
• A. Pendahuluan
page 3
• B. B Hubungan H b Li Of Sight Line Si ht
page 5
• C. Gelombang Ruang Bebas
page 20
• D. D De Devices ices
page 23
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
2
A. Pendahuluan Komunikasi k pada d frekuensi f k d atas 30 MHz umumnya adalah di d l h komunikasi k k gelombang ruang ( Line Of Sight dan Wireless ) dan gelombang ruang bebas ( Space Communication ) 3 kHz
300 GHz Radio Communication R di microwave, Radio, i satellite lli
VLF 3 kHz
LF
30 kHz
Surface
MF 300 kHz
HF 3 MHz
Tropospheric
VHF 30 MHz
Ionospheric
UHF
300 MHz
SHF 3 GHz
Space & Line Of Sight
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
EHF
30 GHz
300 GHz
Space
3
A. Pendahuluan Gelombang Ruang
Komunikasi Line Of Sight
Asumsi : Terdapat p gelombang g g langsung dan gelombang pantul
¿ Rugi lintasan umumnya dianggap gg p free space p
Komunikasi di atas 30 MHz
Komunikasi Jarak Dekat ((mis. Mobile Communication)) ¿ Rugi lintasan orde β ¿ Plane Earth Propagation Model
Gelombangg Ruangg Bebas Asumsi : Hanya terdapat gelombang langsung saja ¿ Rugi lintasan free space TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
4
B. Hubungan Line Of Sight Overview Hubungan Line Of Sight biasa digunakan untuk broadband connectivity communication , dengan frekuensi pembawa umumnya diatas 1 GHz. Informasi yang dibawa bisa jadi adalah satu atau campuran dari informasi sbb : • Kanal telepon • • • • • •
Informasi data Telegraph dan telex Facsimile Video Program channel Telemetry l
Modulasi yang digunakan dalam komunikasi LOS bisa modulasi analog (FM) ataupun dengan memakai modulasi digital (pelajari syarat2-nya)
Jarak Komunikasi Link Line Of Sight, atau sering juga disebut hop, umumnya memiliki panjang 10 - 100 km TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
5
B. Hubungan Line Of Sight 4 Step Proses Desain 1. Perencanaan awal dan pemilihan lokasi menara Meliputi perencanaan modulasi, beberapa syarat sistem komunikasi (digital / g) besar informasi yyang g hendak dikirimkan, jjenis service ( syarat y QoS ) , analog), dsb. Perencana juga harus mengetahui apakah komunikasi yang dilakukan adalah independen atau merupakan bagian dari network yang lebih besar
2. Menggambar gg pprofil lintasan Yang diperhatikan : profile bumi sepanjang lintasan, path clearance, refleksi bumi.
3. Analisis lintasan Daya pancar yang diperlukan, metoda-metoda perbaikan
4. Survey lokasi Detail lokasi site (lintang dan bujur), bujur) lokasi antena antena, ketersediaan catu daya, daya data cuaca lokasi, survei EMI (Electromagnetic Interference), dan berbagai faktor pembatas lokasi lainnya. perencanaan komunikasi LOS diberikan dikuliah Perencanaan Radio Detail dari p Terestrial. Kuliah Antena dan Propagasi terutama membahas tentang point 2 dan 3 di atas TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
6
B. Hubungan Line Of Sight Tipikal Kanal Propagasi • Umumnya diasumsikan terdapat gelombang langsung dan gelombang pantul • Terdapat fading cepat ( short term fading / rayleigh ), dan fading lambat ( lons term fading / lognormal )
Fading Margin Reliability 10 dB 20 dB 30 dB 40 dB
90% 99% 99,9% 99 99% 99,99%
¿ Pelajari kembali dari modul 1, berbagai teknik mengatasi fading ( fading margin margin, diversitas diversitas, dsb )
• Redaman hujan kadang p g dan kadangg dipertimbangkan tidak id k • Teknik perbaikan : ¿ Fading ad g Margin ag ¿ Diversitas TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
7
B. Hubungan Line Of Sight Rumus Barnett-Vignant untuk menghitung fading margin microwave link stasioner (LOS terrestrial) …
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
8
B. Hubungan Line Of Sight Daerah Fresnell • Teori difraksi Fresnell-Kirchoff dikembangkan mula-mula untuk menjelaskan difraksi cahaya yang melalui suatu celah prinsipp Huygens yg yang y g menyatakan y bahwa tiapp titik yang y g • Teori ini berdasarkan p dilalui gelombang dapat dianggap sebagai sumber titik gelombang, sehingga gelombang yang dipancarkan dapat dianggap sebagai superposisi gelombang dari sumber-sumber titik tersebut • Lihat Lih t gambar b berikut b ik t : Tx
ln
l1
Rn
d1
Rx d2
d
dinding
O
R1 R2
Bidang g lingkaran g yang y g dibatasi R1 ¿ Daerah Fresnell I Bidang lingkaran yang dibatasi R2 ¿ Daerah Fresnell II Dan seterusnya….
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
9
B. Hubungan Line Of Sight ln
Tx
l1
Rn
d1
d2
d
dinding
Jari-jari Fresnell diperoleh dari Rx konsep perbedaan fasa antara gelombang pantul dan gelombang langsung,
E t = E1 + E 2 O
R1 R2
λ (l1 + l n ) − (d1 + d 2 ) = n 2
E t = E xo e jφ1 + R E xo e j(φ1 + φR ) Karena, Jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap REV = REH = 1 , dan φR = π ( Lihat modul 1 ! )
Untuk d1 >> 10 d2 , maka : l1 ≈ d1 Sehingga, λ
ln − d 2 = n
2
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
10
B. Hubungan Line Of Sight • Jari-jari Jari jari Fresnell dapat dihitung sbb : 2 λ λ ⎛ ⎞ ⇒ l 2n = ⎜ n + d 2 ⎟ ln − d 2 = n 2 ⎝ 2 ⎠ 2 ⎛ λ ⎞ R 2n = l 2n − d 22 ⇒ R 2n = ⎜ n + d 2 ⎟ − d 22 ⎝ 2 2 ⎠ ⎛ λ⎞ R 2n = ⎜ n ⎟ − nλd 2 ⎝ 2⎠
Agustien Jean Fresnel
Karena nλ << d , maka :
R n = nλ d 2
Rn akan berubah kontinyu terhadap perubahan d1 dan d2
Untuk kasus yang lebih umum, d1 ≈ d2
Rn =
nλd1d 2 d
max untuk d1 = d2
Rn =
nλ d 4
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
11
B. Hubungan Line Of Sight • Rumus Praktis Jari_Jari Jari Jari Fresnell I
d1d 2 R I = 17.3 d.f GHz d1d 2 R I = 72.1 d.f GHz
R1 jari-jari fresnell ( dalam meter ) d1 , d2, dan d jjarak ( dalam kilometer ) f frekuensi ( dalam GHz ) R1 jari-jari j i j i fresnell f ll ( dalam d l feet f t) d1 , d2, dan d jarak ( dalam statute mile ) f frekuensi ( dalam GHz )
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
12
B. Hubungan Line Of Sight • Arti Fisis Jari Jari-Jari Jari Fresnell a. Medan yang diterima dari daerah Fresnell ganjil adalah sefasa, demikian juga yang berasal dari daerah Fresnell genap. Tetapi antar keduanya berlawanan fasa b Jika b. Jik ada d sebuah b h llayar ddengan lluas tak t k berhingga, b hi dilubangi dil b i sebesar b daerah d h Fresnell I, maka penerimaan kuat medan di penerima adalah 2 kali penerimaan kuat medan tanpa layar c. Jika Jik llubang b di diperbesar b lagi l i seluas l daerah d h Frenell F ll II, II maka k penerimaan i kuat k t medan di penerima adalah = 0 d. Pembesaran lubang dilanjutkan, maka diperoleh penerimaan kurang dari 2 k li kali….mengecil….sampai il i 1 kali k li seperti ti tanpa t layar l e. Pada lubang dengan jari-jari = 0,6 jari-jari fresnell I, maka kuat medan penerimaan sama dengan kuat medan penerimaan jika tanpa layar f. Didefinisikan Clearance Factor :
clearance C C RI = = first fresnell radius R I TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
13
B. Hubungan Line Of Sight • Rugi Lintasan a. Hubungan LOS banyak diaplikasikan untuk VHF/UHF serta terutama gelombang mikro, keadaan perambatan rata-rata dianggap sebagai gelombang langsung b. Redaman lintasan (pathloss) dianggap seolah adalah redaman ruang bebas (free space loss) , jika clearance factor = 0,6
L fs (dB) = 32,5 + 20 log f ( MHz ) + 20 log d ( km ) L fs (dB) = 92,45 + 20 log f ( GHz ) + 20 log d ( km ) L fs (dB) = 36,5 + 20 log f ( MHz ) + 20 log d ( mi ) c. Path loss akan berubah dari harga free space pathloss jika clearance factor ≠ 0,6 d. Clearance Factor = 0,6 sangat disukai dalam desain , karena Lp = Lfs untuk jenis medium pemantul apapun TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
14
B. Hubungan Line Of Sight • Perubahan Harga Pathloss + 10
2
3
4
5
6
Interference zone
Obstruction zone
0
- 10
R=
0
ife Kn
n ctio a r f Dif ge Ed
Flat Earth R = -1
R
=
oo th
Sp he re D
- 20
iffr ac tio n
Line Of Sight 3 0.
Sm
- 30 R
=1 .0
From Free Sp pace ( dB B)
Fresnell zone numbers 1
R = Koefisien Refleksi - 40 -1
Sumber :
- 0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Clearance Factor
Freeman, Roger L, “ Radio System Design For Telecommunications (1-100 GHz) ”, John Willey & Sons, 1987 15 TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
B. Hubungan Line Of Sight • Profil Bumi Silakan dilihat Modul 1, mengenai profile chart ! K = 4/3 900 m
xB
800 m
yB
700 m 600 m
hr
Jari-Jari Fresnell
500 m 400 m 300 m
ht 200 m
obstacle
100 m
d2
d1 50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
Digambar, verifikasikan daerah fresnel-nya, dan rekomendasikan ketinggian antena yang diperlukan ! TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
16
B. Hubungan Line Of Sight • Peranan Antena Gelombang ruang terdiri 2 komponen, yaitu gelombang langsung dan gelombang pantul , yang komposisinya selain tergantung pada koefisien refleksi, juga g g ppada diagram g arah antena tergantung
θ
θ
ϕ
ϕ ϕ
ϕ
• Pada antena dengan gain besar dan jarak Tx-Rx kecil ϕ besar, besar sehingga GEM langsung cukup besar dibandingkan GEM pantul (pengaruh gelombang pantul cukup kecil ) • Pada jarak yang jauh, ϕ Æ 0 besar, besar perbandingan gelombang langsung terhadap gelombang pantul mendekati 1 TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
17
B. Hubungan Line Of Sight • Contoh : 4π ≈ 2,1o 4 10 ⎛ 100 ⎞ o ≈ 0 , 2 ⇒ sudut ϕ ≈ tan −1 ⎜ ⎟ 4 ⎝ 3.10 ⎠
GA = 40 dB ⇒ beamwidth : θ1 = φ1 = hA = 100 m ; d = 60 km
Sehingga gg p perbandingan g antara GEM langsung g g dan GEM p pantul mendekati 1 !!
R ≈ 1.e jπ • Untuk ϕ << , dan
E tot = 2 E 1 sin
2 πh t h r λd
Lihat penurunannya, analisis geometri pada Diktat P Heroe hal VII-25
Pola pancar dari antena juga menjadi dasar bagi perhitungan interferensi. Diskusikan !! TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
18
B. Hubungan Line Of Sight • Rugi g Lintasan Orde β • Secara umum, penerima tidak hanya menerima gelombang langsung dan gelombang pantul, tetapi juga gelombang pantulan dari obyek-obyek yang lain. • Pada jarak yang semakin dekat, tidak tepat lagi pemodelan satu lintasan gelombang l langsung, sehingga hi rumus daya d terima i terhadap h d daya d kirim ki i dapat d dikembangkan dik b k sbb :
λ λ PRx = PTx cos φ0 + ∑ R i (φ i )e 4πd 0 i =1 4πd i n
2π j (d i − d 0 ) λ
2
cos φi
Dengan : cos φ = PLF masing masing lintasan n = jumlah lintasan pantul = koefisien refleksi masing-masing pemantul Ri(φI) • Tetapi pengembangan model Friis tersebut diatas sulit diaplikasikan karena jumlah lintasan yang sangat banyak , sehingga mendorong pemodelan yang lebih sederhana sbb : PTx Tx ke Rx = d β dβ == jarak orde rugi lintasan
PRx
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
19
B. Hubungan Line Of Sight Rugi g Lintasan Orde β • Untuk aplikasi Sistem Komunikasi Bergerak umumnya :
1< β < 5
tergantung dari tipikal daerah yang ditinjau : urban, suburban atau rural suburban,
• Untuk aplikasi Sistem Line Of Sight , dengan asumsi bahwa gelombang pantul sangat signifikan ( terdapat 1 gelombang langsung dan satu gelombang pantul t l ), ) maka k :
β=4
sehingga
PTx 4 =d PRx
Pelajari j penurunannya p y di diktat P Heroe hal VII-29
• Harga β = 4 tersebut di atas sering juga digunakan sebagai model teoritis i i pada d sistem i komunikasi k ik i bergerak, b k sering i disebut di b sebagai b i Plane Earth Propagation Model
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
20
C. Gelombang Ruang Bebas Overview Gelombang ruang bebas (space wave) atau disebut juga sebagai gelombang langsung g g ((direct wave)) dipakai p ppada komunikasi antara stasiun bumi dengan satelit, atau komunikasi antar satelit itu sendiri. Seperti juga komunikasi Line Of Si ht komunikasi Sight, k ik i satelit t lit membawa b beragam informasi, suara ataupun data.
Band Name Frequency L band S band C band X band Ku band K band Ka band
1 - 2 GHz 2 - 4 GHz 4 – 8 GHz 8 – 12 GHz 12 – 18 GHz 18 – 27 GHz 27 – 40 GHz
Jarak Komunikasi • Geostasioner sekitar 36.000 km
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
21
C. Gelombang Ruang Bebas Tipikal Kanal • Fading sangat kecil karena hampir tidak ada pantulan, kecuali karena hujan j dan awan yang y g menyebabkan y resonansi bagi g frekuensi tertentu ⇒ Fading margin tidak perlu • Redaman akibat cuaca dan hujan biasanya dipertimbangkan dalam perencanaan ⇒ Disebut Margin Hujan • Karena fading kecil, maka ketelitian 0,1 dB sering diperhitungkan untuk redaman sekitar 100 dB, terutama pada 4 GHz dimana deraunya rendah
Perbaikan Sistem dan Device • Peralatan PA, HPA, dan LNA sangat peka dan mahal • Sistem deteksi rumit, TED (Threshold Extension Devices), d i sinyal desain i l sangatt kritis k iti dalam d l hal h l level l l dan d derau d TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
22
C. Gelombang Ruang Bebas 3 Tipe Karakteristik Peralatan Komunikasi Ruang Angkasa I. Di planet bumi • Derau besar karena temperatur tinggi (man made noise) • Daya besar pancar mudah dibuat, frekuensi uplink umumnya lebih besar dari frekuensi downlink • Gain antena besar besar, struktur besar besar, pengarahan harus teliti sistem kontrol
II. Di satelit • Derau kecil • Daya pembangkit mahal, daya terbatas untuk ukuran kecil • Gain antena besar, mahal, masalah stabilisasi, dan pengarahan antena cukup sulit • Reliability paling penting
III. Antar kendaraan ruang angkasa • Sederhana , segala frekuensi dapat dipakai termasuk cahaya • Kendala terbesar : pengarahan dan trackin antar kendaraan ruang angkasa TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
23
D. Devices
Stasiun bumi
Antena di dalam radome untuk hubungan LOS
Satelit pemantau cuaca TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
24
D. Devices
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
25
Lampiran
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
26
Lampiran
TE3423 - Antena dan Propagasi - Gel Ruang & Ruang Bebas
27
