TUGAS AKHIR
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN SOFTWARE MININEC BROADCAST PROFESSIONAL
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kelulusan Pendidikan Strata Satu (S1) Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh : NAMA : FERRY BUDI CAHYONO NIM
: 0140312-047
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2006
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN SOFTWARE MININEC BROADCAST PROFESSIONAL
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Guna Memperoleh Gelar Sarjana Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
NAMA : FERRY BUDI CAHYONO NIM
: 0140312-047 Disetujui Oleh :
Pembimbing
Koordinator Tugas Akhir
(Dr.-Ing Mudrik Alaydrus)
(Ir. Yudhi Gunardi, MT)
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Mercu Buana
(Ir. Budi Yanto Husodo, Msc)
i
ABSTRAK
Pada sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu. Yang menjadi masalah utama di dalam analisa antena tidak diketahuinya masalah-masalah dalam merancang antena seperti mengetahui besarnya arus, kuat medan listrik dan medan magnet, pola pancaran serta masalah elektromagnetika lainnya. Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Analisa dan desain antena secara serius dewasa ini hanya bisa dilakukan dengan bantuan komputer. Hal ini disebabkan karena bantuan perhitungan secara eksak tidak bisa dilakukan dengan menggunakan kertas dan pensil saja. Pengamatan dalam rancangan antena dan analisanya dapat menggunakan software Mininec Broadcast Professional, sebuah software komersial yang direlease oleh perusahaan EM Scientific, Inc. Tugas Akhir ini membahas analisa dan desain antena dengan menggunakan software Mininec Broadcast Professional, dimana sangat berguna sekali untuk memberikan gambaran secara detail mengenai masalah-masalah yang ditimbulkan dalam membuat antena dan perhitungan antena dengan menggunakan komputer ini dapat diketahui dan dijadikan sebagai pembanding dalam membuat antena secara real.
v
DAFTAR ISI
Halaman Judul Halaman Pengesahan ………………………………………………………….
i
Halaman Motto ………………………………………………………………..
ii
Kata Pengantar ………………………………………………………………...
iii
Abstrak ………………………………………………………………………...
v
Daftar Isi ………………………………………………………………………
vi
Daftar Gambar ………………………………………………………………...
ix
Daftar Tabel dan Diagram …………………………………………………….
xii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang ………………………………………………...
1
1.2
Tujuan Penulisan .........................................................................
2
1.3
Pembatasan Masalah …………………………………………..
3
1.4
Metode Penulisan ....…………………………………………...
3
1.5
Sistematika Penulisan …………………………………………
4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Pengenalan Antena …………………………………………….
5
2.2
Esensi Antena pada Dunia Telekomunikasi ...............................
7
2.3
Besaran penting Antena ..............................................................
10
2.4
Jenis-jenis Antena .......................................................................
13
Antena Dipol ...............................................................................
13
2.4.1
vi
2.4.2
Antena Yagi ................................................................................
15
2.4.3
Antena log-periodic ....................................................................
18
2.5
Panjang Gelombang ....................................................................
21
2.6
Frekuensi .....................................................................................
22
2.7
Spektrum Elektromagnetika .......................................................
23
2.8
Standing Wave Ratio ..................................................................
24
BAB III 3.1
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER Pengenalan Software Mininec Broadcast Profesional …………
26
3.1.1
Latar Belakang Perkembangan ………………………………..
26
3.1.2
Aplikasi yang tersedia …………………………………………
27
Method of Moments Modeling ………………………………..
30
3.2.1
Kelebihan dari Software Mininec Broadcast Profesional ……..
31
3.2.2
Batasan dari Software Mininec Broadcast Profesional ………..
31
Analisa dan Desain antenna …………………………………...
32
3.3.1
Antena Dipol Kembar …………………………………………
32
3.3.2
Antena Yagi …………………………………………………...
39
3.3.3
Antena Log Periodic Dipol Array (LPDA) ……………….…...
47
3.2
3.3
BAB IV
HASIL PERHITUNGAN
4.1
Antena Dipol Kembar …………………………………………
54
4.2
Antena Yagi …………………………………………………...
57
4.3
Antena Log Periodic Dipol Array ……………………………..
65
vii
BAB V
PENUTUP
5.1
Kesimpulan …………………………………………………....
73
5.2
Saran ............................................................................................
74
DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………
75
KARTU ASISTENSI RIWAYAT HIDUP
viii
DAFTAR TABEL DAN DIAGRAM
1.
Tabel 2.1 Aplikasi Spektrum Radio ………………………………....
24
2.
Tabel 3.1 Kecepatan Menghitung Software MBPRO ………………
32
3.
Tabel 3.2 Eksperimen Antena Dipol Kembar ……………….............
34
4.
Tabel 3.3 Current Nodes Antena Dipol Kembar …………………….
37
5.
Tabel 3.4 Geometry Antena Dipol Kembar ………………………...
38
6.
Tabel 3.5 Geometry Antena dengan 15 Elemen …………………....
43
7.
Tabel 3.6 Geometry Antena dengan 12 Elemen …………………....
46
8.
Tabel 3.7 Geometry Antena LPDA dengan 10 Elemen …………….
48
9.
Tabel 3.8 Geometry Antena LPDA 10 Elemen menggunakan program EZNEC/4 ver. 2.5 ………………………………..
49
10. Tabel 3.9 Geometry Antena LPDA 18 Elemen …………………….
50
11. Tabel 3.10 Geometry Antena LPDA 40 Elemen ……………………
52
12. Tabel 4.1 Hasil Impedansi Antena Dipol Kembar …………………...
55
13. Tabel 4.2 Hasil Impedansi Antena Yagi 6 Elemen …………………..
57
14. Tabel 4.3 Hasil Impedansi Antena Yagi 15 Elemen ………………....
59
15. Tabel 4.4 Nilai VSWR Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen …………………………………………………….
62
16. Tabel 4.5 Nilai Power Gain Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen …………………………………………………
62
17. Tabel 4.6 Hasil Impedansi Antena Yagi 12 Elemen …………………
63
18. Tabel 4.7 Nilai VSWR Antena Yagi 12 Elemen ……………………
63
xii
19. Tabel 4.8 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 10 Elemen ………...
66
20. Tabel 4.9 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 18 Elemen ………...
68
21. Tabel 4.10 Nilai VSWR Antena Log Periodic 18 Elemen ………….
68
22. Tabel 4.11 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 40 Elemen ……….
70
23. Tabel 4.12 Nilai VSWR Antena Log Periodic 40 Elemen ………….
71
24. Tabel 4.13 Hasil Percobaan Desain Antena Log Periodic …………...
72
xiii
DAFTAR GAMBAR
1.
Gambar 2.1
Aplikasi Antena Omnidirectional ................................
7
2.
Gambar 2.2
Data dari perusahaan Kathrein ....................................
8
3.
Gambar 2.3
Unidirectional Waveguide Antennas ………………
8
4.
Gambar 2.4
Yagi-Uda antennas …………………………………..
9
5.
Gambar 2.5
Diagram radiasi ……………………………………...
11
6.
Gambar 2.6
Model Gain ..................................................................
12
7.
Gambar 2.7
Bandwidth pada sinyal analog ……………………….
13
8.
Gambar 2.8
Antena Dipol ………………………………………...
14
9.
Gambar 2.9
Diagram Radiasi Antena Dipol ……………………...
15
10. Gambar 2.10
Antena Yagi dengan 3 elemen .....................................
16
11. Gambar 2.11
Geometri Yagi Uda Array …………………………...
16
12. Gambar 2.12
Diagram RadiasiYagi Uda …………………………...
17
13. Gambar 2.13
Susunan Dasar dari Log Periodic Dipole Antena ……
19
14. Gambar 2.14
Elemen Antena Log Periodic ………………………..
19
15. Gambar 2.15
Log-Periodic Antena ………………………………...
20
16. Gambar 2.16
Log-Periodic Antena Model LP80... ………………...
20
17. Gambar 2.17
Parameter tau dan sigma ……………………………..
21
18. Gambar 2.18
Spectrum Elektromagnetika …………………………
23
19. Gambar 2.19
Spectrum Radio ……………………………………...
23
20. Gambar 2.20
Standing Wave Ratio (SWR) ………………………..
25
21. Gambar 3.1
Desain Antena Dipol Kembar ……………………….
31
ix
22. Gambar 3.2
Kotak Dialog Geometry Points ……………………...
35
23. Gambar 3.3
Kotak Dialog Straight Wires ………………………...
35
24. Gambar 3.4
Kotak Dialog Frekuensi ……………………………..
36
25. Gambar 3.5
Kotak Dialog Voltage/Current Source ………………
36
26. Gambar 3.6
Kotak Dialog Radiation Pattern ……………………..
37
27. Gambar 3.7
Kotak Dialog Run ……………………………………
38
28. Gambar 3.8
Desain Yagi ………………………………………….
40
29. Gambar 3.9
Desain Antena Yagi 6 elemen ……………………….
41
30. Gambar 3.10
Desain Antena Yagi 15 elemen ……………………...
42
31. Gambar 3.11
Geometri Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4 ………………………………………………...
32. Gambar 3.12
Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4 ………………………………………………...
33. Gambar 3.13
45
47
Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software MBPRO ……………………………………………...
47
34. Gambar 3.14
Desain LPDA ………………………………………..
48
35. Gambar 3.15
Desain LPDA dengan 10 elemen ……………………
49
36. Gambar 3.16
Desain LPDA dengan 18 elemen ……………………
50
37. Gambar 3.17
Desain LPDA dengan 40 elemen ……………………
51
38. Gambar 3.18
Desain LPDA dengan 40 elemen menggunakan program EZNEC ……………………………………..
51
39. Gambar 4.1
Menu Display Options ……………………………….
54
40. Gambar 4.2
Current –RMS ……………………………………….
56
41. Gambar 4.3
Power Gain Pattern …………………………………..
57
x
42. Gambar 4.4
Arus Antena Yagi 6 elemen ………………………...
58
43. Gambar 4.5
Detail Desain Antena Yagi 15 elemen ………………
59
44.
Gambar 4.6
Arus Antena Yagi 15 elemen ……………………….
60
45.
Gambar 4.7
Power Gain Antena Yagi 15 Elemen ………………..
61
46.
Gambar 4.8
Hasil NBS desain Antena Yagi 15 Elemen ………….
61
47.
Gambar 4.9
Power Gain Antena Yagi 12 Elemen ………………..
64
48.
Gambar 4.10
Power Gain Antena Yagi 12 Elemen menggunakan program NEC-4……………………….
64
49.
Gambar 4.11
Arus Antena Yagi 12 elemen ……………………….
65
50.
Gambar 4.12
Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen ……….
66
51.
Gambar 4.13
Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen dengan menggunakan Program EZNEC/4 …………………...
67
52.
Gambar 4.14
Arus Antena log periodic 10 elemen ………………..
67
53.
Gambar 4.15
Power Gain Antena Log Periodic 18 Elemen ……….
69
54.
Gambar 4.16
Arus Antena log periodic 18 elemen ………………..
70
55.
Gambar 4.17
Power Gain Antena Log Periodic 40 Elemen ……….
71
56.
Gambar 4.18
Arus Antena log periodic 40 elemen ………………..
72
xi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Dewasa ini, pelayanan telekomunikasi memainkan peran yang sangat penting
dalam modernisasi kehidupan manusia dan menjadi sangat diperlukan dalam tiap aspek kehidupan seperti bisnis, perdagangan, rumah tangga, industri, dan sebagainya. Perkembangannya dalam bidang teknologi informasi telah mengarah pada penggunaan teknologi tanpa kabel atau dikenal dengan istilah wireless. Untuk sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetika. Dengan kata lain, antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun (pada saluran transmisi kabel) menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun. Pada sistim komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu dan untuk arah yang lain tak ada pemancaran dan penerimaan. Antena dipol (monopol) adalah jenis antena yang paling banyak 1
2
digunakan dalam aplikasi komunikasi tanpa kabel. Aplikasi pada penerima broadcast, yang pada penggunaannya tak mementingkan di arah sudut mana penerima terletak, maka antena jenis ini akan diprioritaskan, seperti antena pada handphone, pada komputer yang terhubungkan dengan WLAN, dsb. Yang menjadi masalah utama di dalam analisa antena tidak diketahuinya besar dari arus itu. Sehingga problem penentuan medan listrik dan magnet berubah menjadi penentuan arus pada struktur antena yang ada. Bahkan problem penentuan arus ini menjadi lebih dominan dibandingkan dengan problem penentuan medan listrik magnet sesudah itu. Melihat permasalahan tersebut penulis mencoba mengkaji atau mengamati bagaimana cara mengatasi problem antena tersebut. Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Analisa dan desain antena secara serius dewasa ini hanya bisa dilakukan dengan bantuan komputer. Hal ini disebabkan karena bantuan perhitungan secara eksak tidak bisa dilakukan dengan menggunakan kertas dan pensil saja. Pengamatan antena dan analisanya dapat menggunakan software Mininec Broadcast Professional, sebuah software komersial yang direlease oleh perusahaan EM Scientific, Inc. Analisa dan desain antena sampai masalah-masalah yang ditimbulkan inilah penulis ambil melalui sebuah tugas akhir.
1.2
Tujuan Penulisan Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : A. Mendesain dan merancang jenis-jenis antena dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional.
3
B. Mengetahui perubahan arus pada tiap elemen antena, pengaruh feeding antena serta diagram radiasi antena yang diuji pada range frekuensi dari jenis-jenis antena itu. C. Menganalisa hasil perhitungan yang dapat diketahui dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional yaitu masalah-masalah numerik yang timbul dari antena dengan metode momen.
1.3
Pembatasan Masalah Untuk menghindari kesimpangsiuran agar arah pembahasan lebih jelas, maka
penulis merasa perlu untuk membatasi permasalahan yaitu dalam melakukan desain antena sesuai dengan batasan dalam Software MBPRO dan analisa permasalahan berdasarkan hasil dari faktor Geometry point (titik geometri), Straight wires (kawat lurus), Voltage/Current sources (sumber tegangan/arus), perubahan Frequency dan Radiation pattern (pola pancaran).
1.4
Metode Penulisan Metode penulisan Tugas Akhir ini dilakukan dengan beberapa cara yaitu : A. Metode Kajian Pustaka Yaitu dengan cara melakukan penulisan pustaka melalui referensi-referensi penunjang tema penulisan yang didapat dalam pelajaran kuliah, perpustakaan, Internet maupun buku-buku referensi lainnya. B. Metode Eksperimen Yaitu dengan melakukan analisa dan perhitungan masalah-masalah antena dengan software Mininec Broadcast Profesional secara langsung.
4
1.5
Sistematika Penulisan Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini, maka disusun
sistematika penulisan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan tentang latar belakang pemilihan judul, tujuan penulisan, pembatasan masalah dan metode penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Bab ini menjelaskan tentang teori dasar yang digunakan antara lain pembahasannya mengenai pengenalan, teori, jenis-jenis antena dan diagram radiasinya, penjelasan tentang teori panjang gelombang, frekuensi, spektrum elektromagnetika, impedansi dan VSWR (Volatge Standing Wave Ratio). BAB III ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER Bab ini menjelaskan tentang proses desain dan analisa jenis-jenis antena dengan bantuan komputer yaitu menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. BAB IV HASIL PERHITUNGAN Bab ini memberikan gambaran dan penjelasan mengenai hasil simulasi dan perhitungan dari desain antena dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. BAB V PENUTUP Bab ini berisi kesimpulan dari keseluruhan pembahasan serta memberikan saran.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Pengenalan Antena Untuk sistim komunikasi tanpa kabel, antena adalah salah satu dari beberapa
komponen yang paling kritis. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistim itu. Sebuah contoh yang khas adalah pada aplikasi pesawat televisi yang penerimaan sinyalnya bisa diperbaiki dengan penggunaan antena yang memiliki gain yang tinggi. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetika. Dengan kata lain, antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun (pada saluran transmisi kabel) menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun. Pada sistim komunikasi tanpa kabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu dan untuk arah yang lain tak ada pemancaran dan penerimaan. Sejarah antena kembali pada konsep yang dikembangkan oleh James Clerk Maxwell, yang menyatukan teori listrik dan magnet menjadi teori elektromagnetika
5
6
yang dirangkumnya di dalam sebuah sistim persamaan yang kemudian dikenal dengan nama persamaan-persamaan Maxwell. Dengan persamaan yang diturunkan di tahun 1863 ini ia meramalkan adanya medan listrik dan magnet yang merambat di ruang bebas tanpa adanya kabel. Medan listrik dan magnet yang berubah dengan waktu ini dan juga merambat di udara, di sebut juga gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan persamaan ini juga Maxwell memprediksikan bahwa pada dasarnya cahaya juga merupakan gelombang elektromagnetika dan gelombang elektromagnetika merambat dengan kecepatan cahaya.Sembilan tahun setelah kematian Maxwell, di tahun 1888 Hertz melakukan verifikasi terhadap prediksi Maxwell secara eksperimen. Dengan alat ini dia bisa membuktikan adanya induksi sinyal pada antena yang satu akibat sumber yang dipasangkan pada antena yang lainnya. Peristiwa ini merupakan momen kelahiran dari telekomunikasi tanpa kabel modern yang gunanya bisa kita rasakan sekali dewasa ini. Atas dasar eksperimen ini Hertz dikenal dengan nama Mr. Antenna. Setahun setelah kematian Hertz, di 1895 Marconi berhasil merealisasikan telekomunikasi jarak jauh, dari Inggris ke benua Amerika, dengan menggunakan gelombang elektromagnetika. Antena yang dipergunakan adalah 50 buah antena pemancar yang vertikal, yang dilibatkan dengan bantuan kawat secara horisontal dengan 2 tonggak kayu yang berjarak 60 meter. Sebagai antena penerima dipergunakan sebuah kawat vertikal dengan panjang 200 m yang mengambang di udara dengan bantuan sebuah layangan!. Sejak saat itu perkembangan antena makin cepat, dan berkembang pula jenis-jenis antena sesuai dengan tuntutan padanya di setiap bidang aplikasi.
7
2.2
Esensi Antena pada Dunia Telekomunikasi Sebuah antena didefinisikan sebagai piranti yang dipergunakan untuk
memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetika. Gelombang radio ini akan merambat di ruang bebas dari pemancar ke penerima. Berikut ini diberikan tiga bidang aplikasi penting dari penggunaan antena, dan mengharuskan penggunaan antena dan yang akan membawa pengaruh pada perancangan antena itu sendiri : 1. Komunikasi. Penggunaan antena didahulukan dari pada penggunaan kabel (saluran transmisi) dikarenakan oleh alasan-alasan ketidak-mungkinan, ketidak-praktisan dan ketidakefisienan : a. Komunikasi antara pengguna yang bergerak, seperti sistim seluler atau komunikasi antara pesawat terbang/roket. Di sini diharapkan antena/receiver yang dipergunakan bisa melakukan proses ‘tracking’ atau jika tidak cukup menggunakan antena omnidireksional. Dibawah ini adalah berbagai bentuk aplikasi dari gambar antena omnidirectional, jenis antena dari perusahaan Kathrein dan Unidirectional Waveguide Antennas :
Gambar 2.1 Aplikasi Antena Omnidirectional
8
Gambar 2.2 (data dari perusahaan Kathrein)
Gambar 2.3 Unidirectional Waveguide Antennas b. Komunikasi broadcast (televisi dan radio), antena pemancar ditempatkan di tengah-tengah wilayah yang akan disuplai dan antena yang dipergunakan antena omnidireksional. Jika antena pemancar terletak di pinggir wilayah penyuplaian, maka antena direksional-lah yang akan digunakan. Penggunaan antena pada aplikasi televisi mendapat saingan dengan penggunaan “TVcable”, yang padanya dipergunakan kabel-kabel yang menghubungi setiap
9
rumah pelanggannya. Di sini tentu akan ada pemilihan mana yang lebih diprioritaskan. Tetapi pada dasarnya jika jarak pemancar – penerima cukup jauh, maka antena akan lebih mungkin dipergunakan karena faktor atenuasi kabel yang cukup besar. Antena yagi uda adalah salah satu bentuk aplikasi dari komunikasi broadcast (televisi).
Gambar 2.4 Yagi-Uda antennas c. Komunikasi Hubungan gelombang mikro (microwave link system), di sini dipergunakan antena direksional dengan gain yang sangat tinggi (beam width yang kecil), sehingga terbentuk hubungan komunikasi yang dinamakan point-to-point.
2. Radar Antena merupakan pilihan satu-satunya untuk komunikasi dengan benda bergerak. Di teknik radar, antena yang dipergunakan harus memiliki beam width yang sangat kecil, sehingga bisa membedakan objek satu dengan yang lainnya (resolusi tinggi).
10
3. Astronomi Radio, seperti juga halnya pada teknik radar, untuk aplikasi astronomi dipergunakan antena yang mempunyai beamwidth yang sangat sempit sehingga pancarannya kuat sekali dan sangat berguna untuk aplikasi luar angkasa.
2.3
Besaran-besaran penting dari Antena Ada beberapa besaran penting sebagai karakteristik dari setiap antena. Besaran
ini menentukan di mana antena tersebut akan diaplikasikan. Besaran-besaran penting dari setiap antena biasanya ditentukan pada pengamatan medan jauh (far-field). Berikut karakteristik besaran tersebut : 1. Diagram radiasi : sebagai besaran yang menentukan ke arah sudut mana sebuah antena memancarkan energinya. Diagram radiasi merepresentasikan distribusi energi yang dipancarkan oleh antena di ruang. Besaran ini diukur/dihitung pada medan jauh (far-field) dengan jarak yang konstan ke antena, dan divariasikan terhadap sudut, biasanya sudut ϑ atau ϕ. Sehingga bisa dibedakan antena-antena yang mempunyai sifat pancar isotropik, yang hanya ada secara fiktif, antena omnidireksional, yang bersifat isotropik hanya di suatu bidang potong tertentu, dan antena direksional, yang bisa mengkonsentrasikan energinya ke arah sudut tertentu. Sebagai contoh yang sederhana adalah antena dipol yang diletakkan di sumbu asal dari sistem kordinat. Antena ini mempunyai diagram pancar secara tiga dimensi seperti yang terlihat di gambar 2.5. Sebuah bentuk konsentrasi energi yang seperti bentuk donat. Jika kita amati karakteristik radiasi dari antena ini pada bidang horisontal (bidang H/H-plane), maka kita akan memotong donat ini dengan
11
bidang xy, dan bidang yang terpotong berbentuk lingkaran (gambar 2.5b). Dalam kordinat polar, artinya jika kita bergerak pada bidang horisontal pada jarak konstan, maka kita akan mendapatkan energi yang sama, ke sudut ϕ manapun kita bergerak. Tetapi jika kita amati pada bidang vertikal (bidang E/E-plane), kita potong donat tersebut misalnya dengan bidang yz, maka akan kita dapatkan bentuk seperti di (gambar 2.5a) di bawah ini. Dalam kordinat polar berarti, pada sudut ϑ=00 tak ada pancaran, dan dengan membesarnya ϑ akan membesar pula kontribusi pancaran ke arah sudut itu, sampai mencapai maksimalnya pada ϑ=900, kemudian mengecil, dan kembali nol pada ϑ= 1800.
Gambar 2.5 Diagram radiasi
12
2. Direktivitas D : besaran yang menyatakan perbandingan antara kerapatan daya maksimal dengan kerapatan rata-rata. 3. Gain G : direktivitas dikurangi dengan kerugian pada antena. Pada antena yang tak memiliki kerugian, G = D. Di bawah ini gambaran dari gain pada diagram radiasi yang terdiri dari main lobe dan beberapa side lobe.
Gambar 2.6 Model Gain 4. Polarisasi : menyatakan arah dan orientasi dari medan listrik dalam perambatannya dari antena pemancar. 5. Impedansi : impedansi masukan antena dilihat dari rangkaian elektronika, penting untuk menghindari mismatching. Didefinisikan sebagai impedansi yang diberikan kepada rangkaian di luar oleh antena pada suatu titik acuan tertentu, impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus atau perbandingan komponen medan listrik dan medan magnet yang sesuai dengan orientasinya. Impedansi masukan penting untuk pencapaian kondisi matching pada saat antena dihubungkan dengan sumber tegangan, sehingga semua sinyal yang dikirim ke antena akan terpancarkan. Atau pada antena penerima, jika kondisi matching tercapai, energi yang diterima antena akan bisa dikirimkan ke receiver.
13
6. Bandwidth : lebar pita frekuensi, di interval ini performance antena masih dianggap baik dan dalam antena bekerja sesuai dengan yang ditetapkan oleh spesifikasi yang diberikan. Spesifikasi yang di atas meliputi : diagram radiasi, tinggi dari side lobe, gain, polarisasi, impedansi masukan. Untuk sinyal analog, yang mana bandwidth adalah lebar yang diukur dalam satuan hertz, dan digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.7 Bandwidth pada sinyal analog
2.4
Jenis-jenis Antena Ada beberapa jenis dari antena yang akan dibahas dalam tugas akhir ini seperti
antena dipol kembar, antena yagi dan antena log periodic, lebih jelasnya sebagai berikut : 2.4.1
Antena Dipol Antena yang paling sederhana dan yang paling luas penggunaannya adalah
antena dipol. Antena dipol terdiri dari dua buah kawat yang terpisah satu dengan lainnya, yang pada fungsinya sebagai antena pemancar, ia akan dihubungkan dengan sumber tegangan, dan pada fungsi sebagai antena penerima, akan dihubungkan dengan load. Antena itu sendiri oleh sebab itu dianggap berfungsi secara resiprok,
14
artinya, karakteristik dari antena sama apakah ia dipakai sebagai antena pemancar ataupun sebagai antena penerima. Antena dipol bersifat omnidireksional, artinya antena ini memancarkan energinya, pada suatu potongan bidang tertentu, sama rata ke semua arah. Dengan memanfaatkan bidang penghantar, dengan bantuan sebuah kawat yang berada vertikal di atasnya, kita bisa mendapatkan antena dipol dengan kawat bayangan. Analisa arus pada posisi feeding sangat penting untuk menentukan impedansi/resistansi masukan dari antena, pada saat dihubungkan dengan sumber tegangan (generator). Jika pada feeding dihubungkan sumber tegangan V, maka pada antena yang di posisi feedingnya memiliki arus maksimal akan memiliki resistansi masukan yang kecil, karena R I
in
∝1/I . Sedangkan antena yang memiliki arus nol
pada posisi feeding, akan mendapatkan resistansi masukan yang sangat besar. Untuk mendapatkan resistansi masukan yang sesuai dengan yang kita inginkan, kita bisa menggeser posisi feedingnya. Gambaran real dari antena dipol adalah seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.8 Antena Dipol
15
Antena dipol seperti gambar 2.8 adalah yang sering digunakan dalam transmitter dalam sebuah experimen. Sebuah dipol dibuat dari pipa PVC sehingga bisa lebih mudah dirancang dengan tipe yang berbeda horisontal dan vertikal. Antena dipol yang bekerja dalam frekuensi tertentu akan diketahui diagram radiasi seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.9 Diagram Radiasi Antena Dipol 2.4.2
Antena Yagi Antena Yagi dikembangkan oleh engineer dari Jepang Yagi-Uda. Antena Yagi
mudah dibuat dan sangat populer dikalangan amatir radio. Keuntungan Antena Yagi mudah didesain dengan harga murah, mempunyai kemampuan gain yang tinggi, mudah dalam pembuatannya dan Unidirectional beam (front-to-back ratio) yang dapat digunakan pada HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) dan UHF (300 MHz–3 GHz). Antena yagi terdiri dari dipol yang disusun dengan beberapa jenis elemen parasitis. Ada dua tipe dari elemen parasitis yang bisa digunakan untuk merubah pola pancaran (radiation pattern) adalah sebagai berikut :
1. Sebuah batang Reflektor yang biasa disebut demikian, berpengaruh pada refleksi pancaran dari antena driven. 2. Satu atau lebih batang direktor yang berfungsi sebagai penguat arah pancaran.
16
Pada umumnya batang reflektor akan lebih panjang 5% daripada batang eksitasi (driven element) dan batang direktor akan lebih pendek 5% dari batang eksitasi (driven element). Batang eksitasi (driven element) adalah batang yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Arus yang mengalir di sana relatif besar. Antenaantena yang lain (elemen pasif/elemen parasitis) walaupun tidak di-driven, tetapi di sana akibat induksi dari antena driven, mengalir pula arus listrik dengan besar yang relatif lebih kecil dari yang di-driven. Model antena yagi dengan tiga elemen seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.10 Antena Yagi dengan 3 elemen Untuk perhitungan dan analisa geometri dari antena yagi adalah diberikan gambaran sebagai berikut :
Gambar 2.11 Geometri Yagi Uda Array
17
Diagram radiasi Antena Yagi terlihat pada gambar 2.12 berikut ini :
Gambar 2.12 Diagram RadiasiYagi Uda
Diagram radiasi dari sebuah antena biasanya relatif lebar, berarti memiliki direktivitas (gain) yang rendah. Untuk komunikasi jarak jauh atau pada aplikasi radar, sering kali diperlukan antena yang memiliki direktivitas yang sangat tinggi. Untuk mendapatkan antena yang seperti ini, kita bisa memperbesar ukuran dari antena itu sampai melebihi panjang gelombangnya. Tetapi alternatif seperti ini akan memberikan masalah baru, yaitu munculkan side lobe tambahan, yang makin panjang/besar antena tersebut, makin banyak pula side lobe-nya, juga masalah yang berkaitan dengan mekanis dari antena yang terus membesar. Susunan beberapa antena menurut konfigurasi geometris dan elektris tertentu ini disebut dengan Array (grup antena). Antena-antena yang disusun menjadi grup/kelompok ini biasanya antenna yang se-jenis (missal array dipole, array waveguide, array mikrostrip), hal ini diprioritaskan untuk mempermudah analisa, sintesa dan juga fabrikasi. Medan listrik/magnet total dari array adalah superposisi
18
secara vektorial medan yang dihasilkan dari masing-masing antena. Di dalam menghasilkan suatu diagram radiasi tertentu, ke arah pancar yang diprioritaskan untuk mendapatkan direktivitas yang tinggi, diupayakan medan vektornya saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar yang diprioritaskan untuk mendapatkan direktivitas yang tinggi, diupayakan medan vektornya saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar lain yang diinginkan memiliki direktivitas rendah superposisinya diupayakan berlangsung secara destruktif. Ada lima parameter yang bisa digunakan untuk mengontrol diagram radiasi dari array : 1. Konfigurasi geometris array a. Linier : antena disusun pada suatu garis tertentu b. Circular : disusun di atas suatu lingkaran c. Planar : tersusun pada suatu bidang dua dimensi d. Secara tiga dimensi di ruang 2. Jarak dari satu elemen antena ke elemen yang lain 3. Amplitudo arus atau tegangan yang dipasangkan pada feeding elemen antenna 4. Phase arus atau tegangan pada feeding 5. Diagram radiasi dari masing-masing elemen
2.4.3
Antena Log-Periodic Antena log-periodic lebih sulit dalam pembuatannya daripada antena dipol
dan antena yagi, hal ini karena ukuran elemen yang dibuat lebih kecil dari elemen yang sebelumnya sehingga sampai membentuk sudut 2α. Elemen pada log-periodic antena bekerja dengan baik sesuai dengan yang diharapkan, daerah aktifnya benar-
19
benar menyebar atau menerima radiasi secara efisien, bergeser dan sesuai frekuensinya. Elemen yang kiri dalam Gambar 2.13 elemen terpanjang adalah aktif di frekuensi yang paling rendah dan elemen yang kanan elemen terpendek yang sebagai batas aktif di frekuensi tinggi.
Gambar 2.13 Susunan Dasar dari Log Periodic Dipole Antena Untuk lebih jelasnya susunan elemen dari antena log-periodic adalah terlihat pada gambar 2.14 dimana sampai membentuk sudut 2α dan jarak tiap elemen dibagi dalam sebuah skala faktor τ yaitu : dimana τ<1.
Gambar 2.14 Elemen Antena Log Periodic
Hubungan antara sudut α dengan τ
20
Untuk melihat model dari jenis antena log-periodic secara nyata perhatikanlah gambar 2.15 berikut ini :
Gambar 2.15 Log-Periodic Antena Jenis antena log-periodic Model LP80 dari Sunol Sciences Corporation yaitu sebuah antena directional yang didesain untuk pemancar dan penerima sinyal RF dari 80 MHz - 2.0 GHz, spesifikasi Model LP80 maksimum gain 6 dBi, VSWR < 2:1, impedansi 50 ohms, konektor type N female, polarisasi linear, seperti gambar 2.16 :
Gambar 2.16 Log-Periodic Antena Model LP80 Desain Log Periodic Dipole : Dari gambar dan persamaan rumus diatas kita dapat simpulkan untuk merancang dan memecahkan masalah desain antena log-periodic yaitu :
21
Untuk faktor jarak yang sebagai fungsi dari faktor skala diberikan direktivitas maksimum Do. Perhitungan desain bandwidth Bs adalah Untuk panjang elemen dari terpendek sampai elemen terpanjang (L) adalah : dimana
Jadi rumus total jumlah elemen yang didesain dari antena log-periodic adalah :
Dalam desain rancangan antena log-periodic kita juga bisa menentukan besar dari tauτ dan sigmaσ berdasarkan perkiraan maksimum gain yang diinginkan seperti yang ditunjukkan pada grafik berikut ini :
Gambar 2.17 Parameter tau dan sigma
2.5 Panjang gelombang Panjang gelombang adalah sebuah jarak antara satuan berulang dari sebuah pola gelombang. Biasanya memiliki denotasi huruf Yunani lambda (λ). Dalam sebuah gelombang sinus, panjang gelombang adalah jarak antara puncak:
22
Axis x mewakilkan panjang, dan I mewakilkan kuantitas yang bervariasi (misalnya tekanan udara untuk sebuah gelombang suara atau kekuatan listrik atau medan magnet untuk cahaya), pada suatu titik dalam fungsi waktu x. Panjang gelombang λ memiliki hubungan inverse terhadap frekuensi f, jumlah puncak untuk melewati sebuah titik dalam sebuah waktu yang diberikan. Panjang gelombang sama dengan kecepatan jenis gelombang dibagi oleh frekuensi gelombang. Ketika berhadapan dengan radiasi elektromagnetik dalam ruang hampa, kecepatan ini adalah kecepatan cahaya c, untuku sinyal (gelombang) di udara, ini merupakan kecepatan suara di udara.
Hubungannya adalah :
dimana :
•
λ = panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik
•
c = kecepatan cahaya = 300,000,000 m/d
•
f = frekuensi gelombang dengan satuan Hertz.
2.6 Frekuensi Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran ulang per peristiwa dalam selang waktu yang diberikan. Untuk memperhitungkan frekuensi, seseorang menetapkan jarak waktu, menghitung jumlah kejadian peristiwa, dan membagi hitungan ini dengan panjang jarak waktu. Hasil ini diberikan dalam satuan hertz (Hz) setelah pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz, di mana 1 Hz adalah peristiwa yang terjadi satu kali per detik. Secara alternatif, seseorang bisa mengukur waktu antara
23
dua kejadian peristiwa (periode) dan lalu memperhitungkan frekuensi sebagai yang timbal balik kali ini.
Di mana 'T' adalah periode.
2.7 Spectrum Elektormagnetika Pemahaman terhadap spectrum elektromagnetika sangat penting untuk mengetahui aplikasi antena bekerja pada range frekuensinya, adapun gambarannya adalah sebagai berikut :
Gambar 2.18 Spectrum Elektromagnetika Gelombang radio di permukaan bumi dan aplikasi yang digunakan digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.19 Spectrum Radio
24
Band
Panjang Gelombang
Frekuensi
VLF
3 - 30 kHz
100 km - 10 km
LF
30 - 300 kHz
10 km - 1 km
MF
300 kHz - 3 MHz
1 km - 100 m
HF
3 - 30 MHz
100 m - 10 m
VHF
30 - 300 MHz
10 m - 1 m
UHF
300 MHz - 3 GHz
1 m - 10 cm
SHF
3 - 30 GHz
10 cm - 1 cm
EHF
30 - 300 GHz
1 cm - 1 mm
Aplikasi Long range navigation and marine radio Aeronautical and marine navigation radio AM dan telekomunikasi radio Bands Amateur radio, NRC time signal TV, FM, cordless phones, air traffic control(ATC) UHF TV, satelit, air traffic radar, dsb Mostly satellite TV dan satelit yang lainnya Remote sensing dan satelit yang lainnya
Tabel 2.1 Aplikasi Spectrum Radio
2.8 Standing Wave Ratio (SWR) Dalam
dunia
telekomunikasi,
standing
wave
ratio
(SWR)
adalah
perbandingan nilai tegangan maksimal dengan tegangan minimal sehingga sering disebut VSWR. Komponen tegangan dari standing wave dalam bentuk transmission line terdiri dari forward wave (dengan amplitudo Vf) dan dibagi dengan reflected wave (dengan amplitudo Vr). Definisi koefisien refleksi Γ adalah :
Γ menjelaskan kedua magnitude dan phase shift dari faktor refleksi. Penyebab yang paling sederhana, ketika nilai Γ adalah nol, lebih jelasnya adalah : •
Γ = − 1: maksimum negatif refleksi, ketika line short-circuit,
25 •
Γ = 0: tidak ada refleksi, ketika line sempurna berada pada posisi matching,
•
Γ = + 1: maksimum positif refleksi, ketika line open-circuit.
Untuk menghitung dari VSWR, hanya magnitude dari Γ, yang ditandai oleh ρ, pada line ada dua gelombang yang bersifat membangun, dan menghasilkan amplitudo Vmax
Sedangkan untuk gelombang dengan sifat merusak, dan menghasilkan amplitudo Vmin adalah :
1,5
1
Vmax Vmin
V(H) 0
-1,5
Gambar 2.20 Standing Wave Ratio (SWR)
Jadi nilai voltage standing wave ratio adalah :
Misalnya, dari gambar diatas
SWR =
Vmax Vmin
=
1.5 1
= 1.5
Ketika ρ seperti magnitude dari Γadalah ≥ 0, maka nilai VSWR selalu ≥ +1 SWR juga bisa diartikan sebagai rasio dari amplitudo maksimum dari kuat medan listrik dengan amplitudo minimum, yaitu Emax / Emin.
BAB III
ANALISA DAN DESAIN ANTENA DENGAN KOMPUTER
3.1
PENGENALAN
SOFTWARE
MININEC
BROADCAST
PROFESSIONAL Mininec Broadcast Professional dibuat sebagai software (perangkat lunak) untuk desain dan analisa kawat antena. Software ini sangatlah cocok untuk pengalaman bagi pelajar dan engineer professional dalam mendesain dan menganalisa kawat antena. Software ini dapat dijalankan dalam Microsoft Windows (seperti Windows 3.0 dan yang lebih tinggi termasuk Windows 98, Windows NT dan Windows XP). Pem-visualisasian input data menggunakan kotak dialog dengan lembaran-lembaran terpisah seperti display data. Produk output yang dihasilkan termasuk tabulasi dan grafik. 3.1.1
Latar Belakang Perkembangan Software Mininec Broadcast Professional asli ditulis oleh John Rockway
dengan dukungan Jim Logan. Tim Rockway-Logan telah bertanggung jawab selama bertahun-tahun atas perkembangan kode dari yang terkenal dan metode paling berguna, dari model momen antena yang tersedia. Suatu hari, di tahun 1980, John Rockway dan Jim Logan berdiskusi tentang metode yang terdapat pada radio amatir untuk desain antena. Ini adalah momen penting untuk mengembangkan lebih lanjut program komputer tentang modeling antena, seperti Numerical Electromagnetics Code (NEC). Bagaimana tentang penerapan NEC sehingga dapat dioperasikan dalam PC? Saat itu bukanlah sesuatu yang mudah, karena PC terbatas pada memorinya
26
27
yaitu 16K dengan panjang kata 8 bit. Tidak pula tersedia FORTRAN. Program harus ditulis dalam BASIC. Program yang terdapat dalam komputer tersebut sangat terbatas. Beberapa pertanyaan muncul. Dapatkah kode yang terbatas dapat digunakan untuk desain yang serius atau analisis? Umumnya , penulis yakin bahwa kode, pada akhirnya, adalah sebuah alat pelajaran untuk lebih mengerti beberapa dari prinsip dasar antena. Diskusi beralih menjadi bagaimana tim Rockway-Logan dapat melengkapi program komputer yang ada. Sehingga dibuatlah versi MININEC untuk melengkapi program komputer dalam desain dan analisa antena dimana mesin perhitungannya tertulis dalam FORTRAN untuk menghasilkan kecepatan yang lebih besar dan menghasilkan penggunaan memori secara maksimum untuk mengatur ukuran penyesuaian. Formula yang digunakan menggunakan basis fungsi segitiga untuk menghasilkan keakuratan. Dari tim Rockway-Logan yang telah membuat Mininec Broadcast Professional menjadi desain antena yang lebih diterima dan digunakan sebagai alat analisa sampai saat ini. 3.2.2
Aplikasi yang tersedia Dalam modeling antena dan analisanya ada beberapa aplikasi dari Mininec
Broadcast Professional untuk diketahui dan merupakan penjelasan beberapa problem dari masalah antena yang ada. Jadi penjelasan masalah desain antena terdapat dalam menu problem definition adalah sebagai berikut : 1. Pilihan Deskripsi geometri termasuk : •
Convergence test
•
Coordinate selection
•
Geometry points
•
Geometry points iteration
28 •
Helix/spiral
•
Numerical Green's function
•
Straight wires
•
Symmetry
•
Transformations
•
Wire arc
•
Wire mesh
•
Spiral wires
2. Pilihan Deskripsi elektrik termasuk : •
Frequency
•
Ground
•
Loaded wires
•
Lumped loads
•
Passive circuits
•
Plane wave source
•
Transmission lines
•
Voltage/current sources
3. Solusi pilihan deskripsi termasuk : •
Near fields
•
Radiation Pattern
•
Two-port coupling
•
Medium wave array synthesis
29
Integrasi grafik dari MININEC BROADCAST PROFESSIONAL termasuk : •
3-D geometry displays with rotation, zoom and mouse support. Jadi disini ada gambaran dari desain antena dalam bentuk gambar 3 dimensi yang dapat dilihat dari beberapa sudut melalui proses rotasi, untuk memperbesar desain antena ini bisa menggunakan zoom dan semuanya didukung dengan menggunakan mouse.
•
3-D currents, charges and pattern displays. Besar dari arus dan alirannya pada antena bisa dilihat melalui gambar 3 dimensi, serta aliran arus pada kawat antena juga dapat diketahui pada tiap frekuensi dengan hasil nilai dan dalam bentuk diagram polar.
•
Linear, semilog, and log-log plots of currents, coupling, near fields, impedance and admittance. Hasil dari desain antena akan diketahui dari text sebagai evaluasi dan plot untuk melihat gambar dari desain dan bisa dianalisa hasilnya.
•
Linear and polar pattern plots, bentuk pola pancarannya juga bisa dilihat melalui gambar polar pattern plots baik dalam dBi or electric fields, power or directive gain.
Sebagai kesimpulan MININEC BROADCAST PROFESSIONAL merupakan penyelesaian untuk : •
Currents and charges on wires (peak or RMS)
•
Impedance, admittance, S11 and S12
•
Effective height and current moments
•
Power and voltage losses
30 •
Multi-port (antenna-to-antenna ) coupling
•
Near electric and magnetic fields
•
Radiation patterns (dBi or electric fields, power or directive gain)
•
Medium wave array design
•
Auxiliary calculations of ground wave, stub matching , and tower footing impedance
3.2
METODA MOMEN (METHOD OF MOMENT/MoM) Dalam Mininec Broadcast Professional, pemecahan masalah arus tergantung
pada penyelesaian secara numerik dari perhitungan integral yang diwakili oleh medan listrik. Proses dari penyelesaian ini dimulai dengan beberapa anggapan yang benar dari kawat tipis antena, yaitu : radius kawat adalah sangat kecil dari panjang gelombang dan panjang kawat, kawat harus dibagi menjadi beberapa segmen pendek sehingga akan diketahui problem arus dari tiap segmen, serta kombinasi jarak (spasi) pada tiap kawat antena juga menjadi perhitungan untuk analisa antena yang baik. Metode momen dapat digunakan untuk aplikasi antena, karena metoda momen bisa secara eksak (benar) mensimulasikan ruang tanpa bidang batas. Metode momen melakukan proses diskretisasi hanya pada parmukaan struktur, dan akhir dari proses ini adalah persamaan matrix yang harus diinversikan. Matrix yang dibentuk oleh metode momen (MoM) berukuran kecil, tetapi adalah matrix yang dense (seluruh atau hampir seluruh elemen matrix ini tidak nol), sedangkan solusi dari MoM berupa arus yang mengalir di atas permukaan struktur, dan melakukan integrasi didapatkan besaran yang berhubungan langsung dengan medan listrik dan magnet. Jadi dalam metoda momen penyelesaiannya meliputi : Perhitungan Integral, Prosedur Numerik,
31
Ground plane, Beban (loads), Medan dekat (near field), Diagram radiasi dan Real Ground. Metode momen inilah yang digunakan oleh Software Mininec Broadcast Professional dalam mendesain dan menganalisa model antena.
3.2.1
Kelebihan dari Software Mininec Broadcast Professional Software Mininec Broadcast Professional mempunyai beberapa kelebihan
dalam desain dan analisa kawat antena : 1. Dalam desain dan analisa antena menggunakan perhitungan dalam bahasa FORTRAN sehingga menghasilkan kecepatan yang lebih besar dan menghasilkan penggunaan memori secara maksimum. 2. Dapat diketahui beberapa problem antena seperti penentuan besarnya arus pada kawat antena dengan pembagiannya pada tiap-tiap segmen, impedansi dan diagram radiasi dari antena dapat diketahui dengan jelas. 3. Desain dalam software (perangkat lunak) Mininec Broadcast Professional akan dihasilkan data yang dapat dijadikan sebagai bahan perbandingan dalam pengukuran secara real.
3.2.2
Batasan dari Software Mininec Broadcast Professional Software Mininec Broadcast Professional mempunyai batasan-batasan dalam
desain dan analisa kawat antena : 1. Dalam desain antena yang melebihi standart yang telah ditentukan dalam software ini (misal: pada frekuensinya) menyebabkan pesan warning (warna kuning) dan bahkan error (warna ungu) dapat dilihat melalui gambar 3D.
32
2. Untuk waktu kecepatan menghitung dalam Software Mininec Broadcast Professional yang merupakan implementasi dari Fortran mempunyai batasan pada jumlah segmennya yaitu : Jumlah segmen
Kecepatan menghitung
500
18 Detik
1000
142 Detik
1500
473 Detik
2000
1558 Detik
Tabel 3.1 Kecepatan Menghitung Software MBPRO
3.3 ANALISA DAN DESAIN ANTENA Dalam membuat antena secara nyata dengan metoda coba-coba, tentunya sangat memusingkan dan banyak menyita waktu. Oleh sebab itulah, Penulis akan mencoba bagaimana cara mendesain antena dengan memanfaatkan software (perangkat lunak) Mininec Broadcast Professional sehingga akan dihasilkan data untuk dijadikan perbandingan dalam pengukuran secara real. Dengan menggunakan program ini, penulis telah dibantu untuk merancang antena seperti antena dipol kembar, antena yagi dan antena log periodic. Uraian lebih jelasnya akan dibahas sebagai berikut :
3.3.1
ANTENA DIPOL KEMBAR Antena dipol adalah jenis antena yang paling banyak digunakan dalam
aplikasi komunikasi tanpa kabel. Aplikasi pada penerima broadcast, yang pada
33
penggunaannya tak mementingkan di arah sudut mana penerima terletak, maka antena jenis ini akan diprioritaskan. Keuntungan lain dari jenis antena ini adalah mudah untuk dipoduksi, murah dan mudah dalam merancangnya. Dalam eksperimen ini penulis akan mendesain antena dipol kembar dan menganalisa dengan melakukan perhitungan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. Penulis akan mengkombinasikan jarak antar antena dipol sehingga akan diketahui dan dapat ditarik kesimpulan untuk mendapatkan hasil dari performansi antena dipol kembar ini, lebih jelasnya dari antena dipol kembar digambarkan sebagai berikut : z
segmen feeding y x d
1
2
Gambar 3.1 Desain Antena Dipol Kembar
Gambar 3.1 terdiri dua kawat antena dipol sehingga dinamakan antena dipol kembar, dimana setiap kawat dibagi kedalam segmen-segmen untuk dianalisa. Sebagai contoh tiap dipol mempunyai enam segmen seperti yang ditunjukkan gambar diatas. Ada sepuluh titik arus (current nodes) pada parallel dipol gambar diatas, kawat pertama diberikan tegangan listrik di tengahnya tepatnya pada titik arus (current nodes) ketiga
34
dan sebagai sumber arus, jadi pengaruh apa saja yang terjadi untuk mendapatkan performansi antena yang baik adalah dengan mengamati kombinasi jarak antena dipol kembar tersebut, lebih jelasnya sebagai berikut :
ANTENA DIPOL KEMBAR
Panjang (cm)
Jarak/Spasi Tiap Kawat (cm)
50
10
50
20
30
10
30
20
Tabel 3.2 Eksperimen Antena Dipol Kembar Antena dipol kembar pada Gambar 3.1 diatas, diuji pada range frekuensi 200300MHz. Untuk mengetahui analisa dari desain antena dipol kembar ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional. Proses perhitungan berikut ini adalah eksperimen antena dipol kembar dengan panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm : 1. Menentukan titik geometri dalam koordinat kartesian pada tiap kawat antena dipol. Panjang l=50cm=0.5m dan jaraknya d=20cm=0.2m, untuk ½λ l=0.25m dan ½λ d=0.1m. Jadi pada antena dipol kembar untuk kawat 1 berada pada posisi (0,-0.1,-0.25) dan (0,-0.1,0.25) sedangkan untuk kawat 2 berada pada posisi (0,0.1,-0.25) dan (0,0.1,0.25) pada titik geometri dalam satuan meter di udara bebas (free space). Untuk lebih jelasnya perhatikan pengisiannya dalam kotak dialog gambar 3.2 berikut ini :
35
Gambar 3.2 Kotak Dialog Geometry Points ¾ OK – menerima semua input pengguna dan menutup kotak dialog. ¾ Apply – menerima seluruh input pengguna, tetapi tidak menutup kotak dialog. ¾ Reset – mengabaikan seluruh input pengguna sejak kotak dialog menghilang atau sejak pengguna terakhir menekan tombol Apply, tetapi tidak menutup kotak dialog. ¾ Cancel – mengabaikan seluruh input pengguna sejak kotak dialog hilang atau sejak pengguna menekan tombol Apply, tetapi menutup kotak dialog. 2. Menentukan radius dan segmen tiap kawat antena dengan mengisi pada kotak dialog straight wires. Radius antena dipol kembar ini 1mm, ada 6 segmen pada tiap kawat antena, seperti terlihat dalam kotak dialog gambar berikut ini :
Gambar 3.3 Kotak Dialog Straight Wires
36
3. Menentukan besarnya frekuensi antena dipol kembar, sebagai contoh dalam eksperimen ini antena dipol kembar diuji pada range frekuensi antara 200-300 MHz. Masukkan nilai seperti terlihat dalam gambar 3.4. Penjelasan dari kotak dialognya adalah untuk initial frekuensi tentukan batas frekuensi awal (fx) yang akan dicari yaitu 200, increment/factor (i) adalah 1 kali dan jumlah frekuensi (n) adalah 101. Untuk mencari batas frekuensi akhir (fz) adalah ((i.n)+(fx))-1= ((1.101)+200) -1 MHz = 301-1 = 300 MHz. Range frekuensi ini dicari untuk menganalisa performansi antena dipol kembar ini bekerja dengan baik pada frekuensi range-nya.
Gambar 3.4 Kotak Dialog Frekuensi 4. Menentukan Current/voltage Source untuk mengetahui letak posisi feeding ada posisi mana. Pada posisi feeding diberikan tegangan sehingga mengalir arus diposisi ini yang nilainya dapat diketahui dari hasil simulasi. Dalam hal ini feeding berada pada posisi titik ketiga.
Gambar 3.5 Kotak Dialog Voltage/Current
37
5. Untuk melihat diagram radiasi/pola pancaran antena dipol ini, maka nilai-nilai ini akan dimasukkan seperti gambar 3.6. Untuk melihat pola pancaran vertikal adalah pada titik nadir (Zenith) dalam derajat dan pola pancaran horisontal adalah pada sudut azimuth.
Gambar 3.6 Kotak Dialog Radiation Pattern 6. Setelah mendesain antena dipol kembar pada problem definition, maka bisa dilihat dari hasil pada proses desain secara keseluruhan dengan menjalankan menu diagnostics pada software MBPRO ini baik itu current nodes, desain 3D dan definition summary. Berikut ini current nodes dan definition summary pada desain antena dipol kembar diatas : CURRENT NODES coordinates (meters) wire X 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Y
Z
-.1 -.1 -.1 -.1 -.1 .1 .1 .1 .1 .1
-.1666667 -.08333333 0 .08333334 .1666667 -.1666667 -.08333333 0 .08333334 .1666667
connections
node
end1
end2
no.
END 1 1 1 1 END 2 2 2 2
1 1 1 1 END 2 2 2 2 END
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tabel 3.3 Current Nodes Antena Dipol Kembar
38
GEOMETRY Dimensions in meters Environment: FREE SPACE wire 1 2
caps X none 0 0 none 0 0
Y -.1 -.1 .1 .1
Number of wires current nodes
Individual wires segment length segment/radius ratio radius
sector 1
radius .001 .001
segs 6 6
2 10
minimum wire value 1 .08333334 1 83.33333 1 .001
ELECTRICAL DESCRIPTION Frequencies (MHz) frequency no. lowest step 1 200. 1. Sources source node 1 3
= =
Z -.25 .25 -.25 .25
no. of steps 101
magnitude 1.
maximum wire value 1 .08333334 1 83.33333 1 .001
segment length (wavelengths) minimum maximum .08338893 .05559262
phase 0
type voltage
Tabel 3.4 Geometry Antena Dipol Kembar 7. Untuk melakukan perhitungan pada software MBPRO, klik menu Run dan klik run option kemudian ceklist untuk parameter yang dihitung, misal arus (currents) dan radiation pattern, kemudian klik Ok. Lebih jelasnya perhatikan gambar berikut ini :
Gambar 3.7 Kotak Dialog Run
39
8. Proses desain dan perhitungan telah dilakukan, untuk melihat hasil simulasi bisa menggunakan menu output display dengan mengklik display option dan akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV.
3.3.2
ANTENA YAGI Antena Yagi mudah dibuat dan sangat populer dikalangan amatir radio.
Keuntungan Antena Yagi mudah didesain dengan harga murah, mempunyai kemampuan gain yang tinggi dan mudah dalam pembuatannya. Antena yagi terdiri dari dipol yang disusun dengan beberapa jenis elemen parasitis. Pada umumnya batang reflektor akan lebih panjang 5% daripada batang eksitasi (driven element) dan batang direktor akan lebih pendek 5% dari batang eksitasi (driven element). Untuk jarak tiap batang kawat dan penambahan kawat direktor antena akan ditentukan dan disimpulkan untuk melihat performansi antena yagi. Penentuan titik geometrinya adalah pada arah sumbu Y untuk menentukan jarak tiap kawat antena, pada arah sumbu Z untuk menentukan panjang dari kawat antena yang dihitung setengah panjang gelombang (½λ). Dalam desain antena yagi ini penulis mencoba membuat rancangan antena yagi dengan 6 elemen. Apabila hasil dari jenis antena yagi 6 elemen ini tidak menghasilkan performansi yang baik, maka akan ditambahkan beberapa direktor untuk tujuan yang diinginkan dan pancaran yang baik. Jadi pengaruh apa saja yang terjadi untuk mendapatkan performansi antena yagi yang baik adalah dengan menambahkan beberapa elemen direktor sehingga akan didapatkan gain yang tinggi dan SWR mendekati 1, lebih jelasnya diberikan gambaran desain antena yagi sebagai berikut :
40
Desain awal dari antena yagi digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.8 Desain Yagi Gambar antena yagi diatas terdiri dari beberapa elemen, pada kawat paling kiri adalah sebagai batang reflektor, kemudian batang eksitasi (driven element) dan beberapa batang direktor. Dimana setiap kawat dibagi kedalam segmen-segmen untuk dianalisa juga. Sebagai contoh tiap batang kawat diatas mempunyai empat belas segmen seperti yang ditunjukkan gambar diatas. Ada tiga belas titik arus (current nodes) pada tiap batang kawat antena yagi gambar 3.8 , kawat kedua yang sebagai batang eksitasi (driven element) diberikan tegangan listrik di tengahnya yang dinamakan feeding tepatnya pada titik arus (current nodes) keduapuluh dan sebagai sumber arus, arus yang mengalir di sana relatif besar. Antena-antena yang lain (elemen pasif/elemen parasitis) walaupun tidak di-driven, tetapi di sana akibat induksi dari antena driven, mengalir pula arus listrik dengan besar yang relatif lebih kecil dari yang di-driven. Desain antena yagi yang dimulai dengan 6 elemen dan sebagai pembanding dari hasil analisa adalah dengan ditambahkan beberapa elemen direktor sehingga dari eksperimen ini bisa diambil kesimpulan dengan tujuan mendapatkan performansi antena yang baik dengan SWR mendekati 1, lebih jelasnya perhatikan desain gambar
41
antena yagi 6 elemen dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional berikut ini :
feeding
RF
DR1
DR2
DR3
DR4
DE
Gambar 3.9 Desain Antena Yagi 6 elemen Desain antena yagi 6 elemen diatas, diuji pada range frekuensi 250-350MHz. Untuk mengetahui analisa dari desain antena yagi ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional. Dengan ukuran desain yang sama dan sebagai pembanding dari hasil analisa adalah dengan ditambahkan beberapa elemen direktor, sehingga antena yagi menjadi 15 elemen. Eksperimen ini dilakukan untuk mendapatkan hasil baik dengan SWR mendekati 1 dan untuk mendapatkan gain yang tinggi, sehingga performansi antena akan didapatkan dari hasil analisa percobaan ini yang tentunya sebagai data kita untuk mencoba membuat antena yagi yang sebenarnya sesuai dengan aplikasi dari antena yagi ini. Lebih jelasnya perhatikan desain gambar 3.9 antena yagi 15 elemen dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional berikut ini :
42
feeding RF
y
x DR1
DR2
DR13
DE
Gambar 3.10 Desain Antena Yagi 15 elemen Antena yagi pada Gambar diatas, mempunyai ukuran panjang L=4.2λ. Antena ini diuji pada range frekuensi 250-350MHz. Eksperimen ini juga dilakukan oleh National Bureau of Standards (NBS Design), penulis akan mengamati hasil analisa dari antena yagi ini dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional, detail ukurannya adalah Jumlah elemen (element number) N=15; Radius dari tiap elemen a=0.00425; Panjang direktor l1=l2=0.424, l3=0.420, l4=0.407, l5=0.403, l6=0.398, l7=0.394, dan l8 – l13=0.390; Panjang reflektor l14=0.475; Panjang direktor l15=0.466; Jarak antar elemen = 0.308 dan Jarak antara reflektor dan driven elemen = 0.2m. Untuk mengetahui analisa dari desain antena yagi ini maka dihitung dengan menggunakan komputer yaitu penggunaan Software Mininec Broadcast Professional. Prosesnya adalah sebagai berikut :
1. Menentukan titik geometri dalam koordinat kartesian (x,y,z) pada tiap kawat antena yagi sesuai dengan desain antena yagi pada 6 elemen dan 15 elemen. Untuk kawat relektor berada pada posisi (0,-0.2,-0.2375) dan (0,-0.2,0.2375), kawat driven elemen berada pada posisi (0,0,-0.233) dan (0,0,0.233), kawat
43
direktor1 berada pada posisi (0,0.308,-0.212) dan (0,0.308,0.212), kawat direktor2 berada pada posisi (0,0.616,-0.212) dan (0,0.616,0.212), kawat direktor3 berada pada posisi (0,924,-0.21) dan (0,924,0.21) masukan nilainilai tersebut sampai dengan direktor13 pada kotak dialog titik geometri dalam satuan meter di udara bebas (free space). Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel berikut ini :
GEOMETRY Dimensions in meters Environment: FREE SPACE wire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
caps X 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0 1,2 0 0
Y -.2 -.2 0 0 .308 .308 .616 .616 .924 .924 1.232 1.232 1.54 1.54 1.848 1.848 2.156 2.156 2.464 2.464 2.772 2.772 3.08 3.08 3.388 3.388 3.696 3.696 4.004 4.004
Number of wires current nodes
= =
Z -.2375 .2375 -.233 .233 -.212 .212 -.212 .212 -.21 .21 -.2035 .2035 -.2015 .2015 -.199 .199 -.197 .197 -.195 .195 -.195 .195 -.195 .195 -.195 .195 -.195 .195 -.195 .195
radius .00425
segs 14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
.00425
14
15 195
Tabel 3.5 Geometry Antena dengan 15 Elemen
44
2. Menentukan radius dan segmen tiap kawat antena dengan mengisi pada kotak dialog straight wires. Radius antena yagi ini 4.25mm, ada 14 segmen pada tiap kawat antena dan lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel... 3. Menentukan besarnya frekuensi antena yagi, sebagai contoh dalam hal ini antena yagi diuji pada range frekuensi antara 250-350 MHz. Berikut ini penjelasan dari electrical description : ELECTRICAL DESCRIPTION Frequencies (MHz) frequency (wavelengths) no. lowest step 1 250. 1.
no. of
segment length
steps 101
minimum .03323049
maximum .02879896
4. Menentukan Current/voltage Source untuk mengetahui letak posisi feeding ada di posisi mana. Pada posisi feeding diberikan tegangan sehingga mengalir arus diposisi ini yang nilainya dapat diketahui dari hasil simulasi. Dalam hal ini feeding berada pada posisi titik keduapuluh. Sources source node 1 20
sector 1
magnitude 1.
phase 0
type voltage
5. Untuk melihat diagram radiasi/pola pancaran antena yagi ini, maka tentukan arah sudut yang ingin dilihat pada kotak dialog radiation pattern. Untuk melihat pola pancaran vertikal adalah pada titik nadir (Zenith) dalam derajat dan pola pancaran horisontal adalah pada sudut azimuth. 6. Setelah mendesain antena yagi pada problem definition, maka bisa dilihat dari hasil pada proses desain secara keseluruhan dengan menjalankan menu diagnostics pada software MBPRO ini baik itu current nodes, desain 3D dan definition summary.
45
7. Untuk melakukan perhitungan pada software MBPRO, klik menu Run dan klik run option kemudian ceklist untuk parameter yang dihitung, misal arus (currents) dan radiation pattern, kemudian klik Ok. 8. Proses desain dan perhitungan telah dilakukan, untuk melihat hasil simulasi antena yagi ini, bisa menggunakan menu output display dengan mengklik display option dan akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV.
PEMBANDING DESAIN ANTENA YAGI : Eksperimen ini dilakukan guna mendapatkan perbandingan dari hasil uji dalam desain antena yagi yang baik dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional. Desain antena yagi ini telah dilakukan dan dalam hal ini penulis ingin mendapatkan dari hasil ini dengan mencoba dan mendesain antena yagi dalam Software MBPRO. Untuk lebih jelasnya sebagai berikut : ¾ Desain antena yagi 12 elemen dengan menggunakan Software NEC4 diuji pada range frekuensi 100-200 MHz. Geometri antena yagi 12 elemen tersebut adalah sesuai dengan gambar berikut ini :
Gambar 3.11 Geometri Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4
46
Seperti proses desain dan perhitungan dalam Software MBPRO yang telah dilakukan sebelumnya, penulis akan menentukan titik geometri, straight wires, voltage/current source, frekuensi dan radiation pattern, untuk lebih jelasnya desain antena yagi 12 elemen adalah dengan melihat difinition summary sebagai berikut : GEOMETRY Dimensions in meters Environment: FREE SPACE wire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
caps X 1,2 -.5194 .5194 1,2 -.5016 .50165 1,2 -.4699 .46991 1,2 -.4613 .46136 1,2 -.4622 .46224 1,2 -.4598 .45989 1,2 -.447 .44704 1,2 -.4356 .43561 1,2 -.4267 .42672 1,2 -.4178 .41783 1,2 -.4089 .40894 1,2 -.3962 .39624
Y 0 0 .22331 .22331 .34215 .34215 .64461 .64461 1.03434 1.03434 1.55909 1.55909 2.19682 2.19682 2.9464 2.9464 3.72364 3.7264 4.53136 4.53136 5.334 5.334 6.0452 6.0452
Number of wires current nodes
Individual wires segment length segment/radius ratio radius
sector 1
radius .00238
segs 21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
.00238
21
12 240
minimum wire value 12 .03796191 12 15.95038 1 .00238
ELECTRICAL DESCRIPTION Frequencies (MHz) frequency (wavelengths) no. lowest step 1 100. 1. Sources source node 1 31
= =
Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
maximum wire value 1 .04969334 1 20.87955 1 .00238
no. of
segment length
steps 101
minimum .02532482
magnitude 1.
phase 0
maximum .0165755
type voltage
Tabel 3.6 Geometry Antena Yagi dengan 12 Elemen
47
Hasil desain antena yagi 12 elemen dengan menggunakan Software NEC4 adalah :
Gambar 3.12 Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software NEC4 Hasil desain antena yagi 12 elemen dengan menggunakan Software MBPRO adalah :
Gambar 3.13 Desain Antena Yagi 12 elemen dengan Software MBPRO Dari gambar diatas dapat dilihat kesamaan dari model desain antena yagi 12 elemen baik dengan Software NEC4 dan Software MBPRO. Sehingga dapat dijadikan pembanding untuk analisa dari hasil desainnya.
3.3.3
ANTENA LOG PERIODIC DIPOL ARRAY (LPDA) Dalam hal ini penulis akan mendesain jenis Antena Log Periodic Dipol Array
atau biasa disebut LPDA. Log Periodic Dipol Array menjadi sangat populer dikalangan radio amatir dan salah satu yang paling biasa digunakan oleh EMC work
48
karena desain geometrinya yang dapat divariasikan tergantung dari aplikasi pada range frekuensinya. Desain daripada LPDA digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.14 Desain LPDA I. Dari gambar 3.14 diatas penulis mencoba desain LPDA pertama model 8904 yang panjangnya 34.87' dengan 10 elemen, nilai tau=0.89 dan sigma=0.04 yang diuji pada range frekuensi 7-15 MHz. Dan kesimpulan dari hasil perhitungan geometrinya dengan Software MBPRO adalah sebagai berikut : GEOMETRY Dimensions in inches Environment: FREE SPACE wire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
caps X none 0 0 none 70.848 70.848 none 133.903 133.903 none 190.021 190.021 none 239.967 239.967 none 284.419 284.419 none 323.981 323.981 none 359.191 359.191 none 390.528 390.528 none 418.418 418.418
Y -442.8 442.8 -394.09 394.092 -350.74 350.742 -312.16 312.16 -277.82 277.823 -247.26 247.262 -220.06 220.063 -195.86 195.856 -174.31 174.312 -155.14 155.138
Number of wires current nodes Sources source node 1 16
sector 1
= =
Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
radius 2.85 2.54
27
2.26
25
2.01
23
1.79
19
1.59
17
1.42
15
1.26
13
1.12
13
.9999999
11
10 184
magnitude .707
phase 0
segs 31
type voltage
Tabel 3.7 Geometry Antena LPDA dengan 10 Elemen
49
Gambar 3.15 adalah hasil desain dengan menggunakan Software MBPRO :
Gambar 3.15 Desain LPDA dengan 10 elemen Untuk pembanding penulis juga melihat referensi dari hasil desain dengan program EZNEC yang dilakukan oleh L. B. Cebik, W4RNL. Untuk hasil simulasi akan dibahas pada Bab IV, dan berikut ini kutipan perhitungan dengan menggunakan program EZNEC/4 ver. 2.5 : 8904C
EZNEC/4
6.8-15 MHz .89/.04 Frequency = 7
ver. 2.5 10-08-1999
09:18:15
MHz.
Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1 --------------- WIRES --------------Wire Conn.--- End 1 (x,y,z : in) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .
0.000,-442.80, 70.848,-394.09, 133.903,-350.74, 190.021,-312.16, 239.967,-277.82, 284.419,-247.26, 323.981,-220.06, 359.191,-195.86, 390.528,-174.31, 418.418,-155.14,
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Conn.--- End 2 (x,y,z : in) 0.000,442.800, 70.848,394.092, 133.903,350.742, 190.021,312.160, 239.967,277.823, 284.419,247.262, 323.981,220.063, 359.191,195.856, 390.528,174.312, 418.418,155.138,
0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Dia(in) Segs 2.85E+00 2.54E+00 2.26E+00 2.01E+00 1.79E+00 1.59E+00 1.42E+00 1.26E+00 1.12E+00 1.00E+00
31 27 25 23 19 17 15 13 13 11
Tabel 3.8 Geometry Antena LPDA 10 Elemen menggunakan program EZNEC/4 ver. 2.5 II. Untuk desain LPDA kedua, penulis mencoba dengan 18-elemen yang diuji pada range frekuensi 290-300 MHz, pada HF array maka digunakan Tau=0.9024 dan Sigma=0.0519. Dan kesimpulan dari hasil perhitungan geometrinya dengan Software MBPRO adalah sebagai berikut :
50 GEOMETRY Dimensions in inches Environment: FREE SPACE wire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
caps X none 29.4 -29.4 none 27.21 -27.21 none 24.525 -24.525 none 22.133 -22.133 none 19.675 -19.675 none 18.027 -18.027 none 16.269 -16.269 none 14.683 -14.683 none 13.251 -13.251 none 11.959 -11.959 none 10.793 -10.793 none 9.74 -9.74 none 8.791 -8.791 none 7.933 -7.933 none 7.16 -7.16 none 6.462 -6.462 none 5.831999 -5.831999 none 5.263 -5.263
Number of wires current nodes
Y 0 0 6.969 6.969 12.61 12.61 17.7 17.7 22.293 22.293 26.439 26.439 30.181 30.181 33.557 33.557 36.605 36.605 39.355 39.355 41.837 41.837 44.077 44.077 46.099 46.099 47.924 47.924 49.75 49.75 51.056 51.056 52.397 52.397 53.608 53.608 = =
Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
radius .25
segs 107
.25
97
.25
87
.25
79
.25
71
.25
65
.25
57
.25
53
.188
47
.188
43
.188
39
.188
35
.188
31
.188
25
.125
23
.125
21
.125
19
.125
17
18 898
Tabel 3.9 Geometry Antena LPDA 18 Elemen Gambar 3.16 adalah hasil desain LPDA 18 elemen dengan menggunakan Software MBPRO :
Gambar 3.16 Desain LPDA dengan 18 elemen
51
III. Desain terakhir LPDA, penulis mencoba desain LPDA dengan memilih nilai Tau dan Sigma yang dekat dengan nilai maksimumnya yaitu dengan Tau=0.97 dan nilai Sigma=0.18 yang diuji pada range frekuensi 365-385 MHz. Penulis coba desain dan hasil desainnya dengan Software MBPRO adalah sebagai berikut :
Gambar 3.17 Desain LPDA dengan 40 elemen Dan sebagai pembanding, penulis juga melihat referensi dari hasil desain dengan program EZNEC yang dilakukan oleh L. B. Cebik, W4RNL. Hasil dari desain program EZNEC pada Gambar 3.18 yaitu :
Gambar 3.18 Desain LPDA dengan 40 elemen menggunakan program EZNEC Dan dapat disimpulkan dari hasil perhitungan geometrinya dengan Software MBPRO adalah sebagai berikut : GEOMETRY Dimensions in inches Environment: FREE SPACE wire segs 1 2 3 4 5 6
caps X
Y
Z
radius
none 0 0 none 5.42 5.42 none 10.677 10.677 none 15.777 15.777 none 20.723 20.723 none 25.521 25.521
7.528 -7.528 7.302 -7.302 7.083 -7.083 6.87 -6.87 6.664 -6.664 6.464001 -6.464001
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
.0125
29
.0125
29
.0125
27
.0125
27
.0125
27
.0125
25
52 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
none 30.176 30.176 none 34.69 34.69 none 39.069 39.069 none 43.317 43.317 none 47.438 47.438 none 51.434 51.434 none 55.311 55.311 none 59.072 59.072 none 62.719 62.719 none 66.258 66.258 none 69.69 69.69 none 73.019 73.019 none 76.248 76.248 none 79.381 79.381 none 82.419 82.419 none 85.367 85.367 none 88.225 88.225 none 90.999 90.999 none 93.68801 93.68801 none 96.298 96.298 none 98.829 98.829 none 101.284 101.284 none 103.665 103.665 none 105.975 105.975 none 108.216 108.216 none 110.389 110.389 none 112.497 112.497 none 114.542 114.542 none 116.526 116.526 none 118.45 118.45 none 120.316 120.316 none 122.127 122.127 none 123.883 123.883 none 125.586 125.586
Number of wires current nodes
6.27 -6.27 6.082 -6.082 5.9 -5.9 5.723 -5.723 5.551 -5.551 5.385 -5.385 5.223 -5.223 5.066 -5.066 4.914 -4.914 4.767 -4.767 4.624 -4.624 4.485 -4.485 4.351 -4.351 4.22 -4.22 4.093 -4.093 3.971 -3.971 3.852 -3.852 3.736 -3.736 3.624 -3.624 3.515 -3.515 3.41 -3.41 3.307 -3.307 3.208 -3.208 3.112 -3.112 3.019 -3.019 2.928 -2.928 2.84 -2.84 2.755 -2.755 2.672 -2.672 2.592 -2.592 2.514 -2.514 2.439 -2.439 2.366 -2.366 2.295 -2.295 = =
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
.0125
25
.0125
23
.0125
23
.0125
23
.0125
21
.0125
21
.0125
21
.0125
19
.0125
19
.0125
19
.0125
19
.0125
17
.0125
17
.0125
17
.0125
17
.0125
15
.0125
15
.0125
15
.0125
15
.0125
13
.0125
13
.0125
13
.0125
13
.0125
13
.0125
11
.0125
11
.0125
11
.0125
11
.0125
11
.0125
11
.0125
9
.0125
9
.0125
9
.0125
9
40 652
Tabel 3.10 Geometry Antena LPDA 40 Elemen
BAB IV
HASIL PERHITUNGAN
Dalam bab ini penulis akan mengulas lebih lanjut tentang Software Mininec Broadcast Professional, terutama dalam menganalisa kawat antena. Beberapa faktor ataupun parameter yang terpenting hasil dari modeling kawat antena ini meliputi : faktor dari Straight wires (kawat lurus), Geometry point (titik geometri), Voltage/Current sources (sumber tegangan/arus), perubahan Frequency dan Radiation pattern (pola pancaran). Dari Straight wires akan diketahui besarnya radius, jumlah segmen pada kawat antena dan titik geometrinya. Geometry point (titik geometri) akan diketahui dari koordinat titik geometri sebagai gambaran jelas dari Straight wires (kawat lurus) dalam bentuk Cartesian, cylindrical atau geographic. Voltage/Current sources (sumber tegangan/arus) menjelaskan lokasi sumber tegangan/arus ini terletak pada current nodes. Frekuensi digunakan dalam perhitungan untuk mengetahui perubahan-perubahan yang terjadi pada kawat antena seperti pada perubahan arus kawat antena. Radiation pattern (pola pancaran) bisa diketahui dari sudut azimut ataupun zenith. Secara umum untuk melihat performansi dari hasil desain antena yang baik adalah dari hasil nilai VSWR yang paling kecil (mendekati 1) dan mempunyai nilai gain yang tinggi, tergantung dari aplikasi antena yang diinginkan. Sehingga perubahan panjang, jarak, diameter elemen dan penambahan jumlah elemen kawat antena akan berpengaruh dari hasil desain antena yang baik.
53
54
4.1
Antena Dipol Kembar Dari eksperimen desain antena pada Bab III, didapatkan hasil perhitungan dan
simulasi dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional untuk antena dipol kembar : 1. Untuk mendapatkan hasil perhitungan antena dipol kembar yang diuji dengan mengkombinasikan panjang kawat dan jarak antar kawat dipol adalah dengan cara menggunakan menu output display dengan mengklik display options seperti pada kotak dialog gambar 4.1 berikut ini :
Gambar 4.1 Menu Display Options 2. Untuk melihat nilai VSWR yang dijadikan sebagai parameter dalam desain antena dipol kembar yang baik adalah dengan memilih Impedansi dan klik text, adapun kesimpulan dari hasil desain pada antena dipol kembar : IMPEDANCE untuk dipole kembar panjang l=50cm dan jaraknya d=10cm frequency resistance reactance impedance phase VSWR (MHz) (ohms) (ohms) (ohms) (deg) source = 1; node 20, sector 1 288. 289. 290. 291. 292. 293.
15.09607 13.99327 13.00569 12.15238 11.44942 10.91004
-40.89093 -36.51228 -31.98653 -27.32712 -22.55083 -17.67737
43.58852 39.10189 34.5295 29.90739 25.29089 20.77302
290.26 290.97 292.13 293.97 296.92 301.68
5.66 5.58 5.5 5.41 5.3 5.19
55
IMPEDANCE untuk dipole kembar panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm frequency resistance reactance impedance phase VSWR (MHz) (ohms) (ohms) (ohms) (deg) source = 1; node 20, sector 1 288. 289. 290. 291. 292. 293.
31.78661 32.66411 33.71873 34.95074 36.35649 37.92835
-5.708042 -.900368 3.903505 8.681704 13.41225 18.07345
32.29506 32.67651 33.94393 36.01287 38.75155 42.0144
349.82 358.42 6.6 13.95 20.25 25.48
1.61 1.54 1.5 1.52 1.57 1.64
IMPEDANCE untuk dipole kembar panjang l=30cm dan jaraknya d=10cm frequency resistance reactance impedance phase VSWR (MHz) (ohms) (ohms) (ohms) (deg) source = 1; node 20, sector 1 288. 289. 290. 291. 292. 293.
16.22297 16.35445 16.4867 16.61957 16.75294 16.88708
-376.9081 -374.4132 -371.9307 -369.461 -367.0026 -364.5559
377.2571 374.7702 372.296 369.8346 367.3848 364.9468
272.46 272.5 272.54 272.58 272.61 272.65
179. 175. 172. 168. 165. 161.
IMPEDANCE untuk dipole kembar panjang l=30cm dan jaraknya d=20cm frequency resistance reactance impedance phase VSWR (MHz) (ohms) (ohms) (ohms) (deg) source = 1; node 20, sector 1 288. 289. 290. 291. 292. 293.
17.04268 17.17328 17.30434 17.43586 17.56825 17.70083
-377.1159 -374.6036 -372.1028 -369.6137 -367.1378 -364.6726
377.5008 374.997 372.5049 370.0247 367.558 365.102
272.59 272.62 272.66 272.7 272.74 272.78
171. 167. 164. 160. 157. 154.
Tabel 4.1 Hasil Impedansi Antena Dipol Kembar Dari tabel hasil perhitungan impedansi diatas dapat dilihat untuk desain antena dipol kembar yang menunjukkan performansi antena yang baik adalah yang mempunyai panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm, karena mempunyai parameter VSWR=1.5 nilai yang paling kecil (mendekati 1), sedangkan desain lainnya nilai VSWR-nya terlalu besar dan kurang begitu baik buat data dan pembanding dalam membuat antena. Jadi eksperimen
56
kedua dari desain antena dipol kembar ini bisa dijadikan pembanding untuk pembuatan antena dipol secara real. Selanjutnya analisa berikutnya akan dilihat sesuai dengan desain antena panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm karena performansinya yang baik. 3. Gambar 4.2 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena dipol kembar. Kawat pertama adalah kawat yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Pada frekuensi 290 MHz dan dengan daya 1 watt, maka Arus yang mengalir di sana relatif besar sebesar 0.173ampere. Akibat induksi dari kawat antena dipol pertama, mengalir pula arus listrik pada kawat kedua dengan besar arus yang relatif lebih kecil dari yang di-feeding sebesar 0.132ampere. Jadi terjadi perbedaan untuk besar arus pada kawat yang difeeding dan kawat yang tidak di-feeding, untuk lebih jelasnya amati gambar hasil simulasi yang ditunjukkan dalam Software MBPRO berikut ini :
Dipol 1 (feeding) Dipol 2
Gambar 4.2 Current -RMS
4. Dengan memilih dBi pada kotak dialog display option, maka dapat diketahui dari plot untuk diagram radiasi dan besar daripada gain antena dipol kembar ini seperti yang terlihat pada Gambar 4.3 yang menunjukkan diagram radiasi
57
dari antena dipol kembar tersebut. Pola pancaran pada antena dipol kembar ini diamati pada frekuensi 290 MHz, dari hasil inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk dipol kembar ini sebesar 6.2 dB pada 2680. -3dB (lower, upper)=218.220; 321.780 dan front to back ratio=1.726 dB.
Gambar 4.3 Power Gain Pattern
4.2
Antena Yagi Untuk desain antena yagi pada Bab III, akan diamati hasil analisa daripada
model antena yagi dengan 6 elemen yang diuji pada range frekuensi 250-350 MHz dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional sebagai berikut : 1. Untuk nilai VSWR yang dijadikan sebagai parameter dalam desain antena yagi yang baik penulis ambil pada range frekuensi yang nilai VSWR –nya kecil yaitu : IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 20, sector 1 . 287. 23.2641 -5.275767 288. 23.54496 -1.711501 289. 23.88706 1.922293 290. 24.30429 5.62533 291. 24.81474 9.398131 292. 25.4388 13.23222 293. 26.19996 17.11553
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
23.85481 23.60708 23.96428 24.9468 26.53481 28.67446 31.29503
347.22 355.84 4.6 13.03 20.74 27.48 33.16
2.18 2.13 2.1 2.1 2.11 2.15 2.21
. Tabel 4.2 Hasil Impedansi Antena Yagi 6 Elemen
58
2. Gambar 4.4 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena yagi 6 elemen. Kawat kedua sebagai driven elemen adalah kawat yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Pada frekuensi 290 MHz dan dengan daya 1 watt, maka Arus yang mengalir di sana relatif besar sebesar 0.203ampere. Akibat induksi dari kawat antena yagi yang kedua, mengalir pula arus listrik pada kawat pertama yang sebagai reflektor sebesar 0.1353ampere. Kemudian arus listrik ini mengalir pada kawat direktor yang besarnya tentunya lebih kecil karena akibat induksi dari antena driven, untuk lebih jelasnya amati gambar hasil simulasi yang ditunjukkan dalam Software MBPRO berikut ini :
Driven element reflektor direktor 1 direktor 2 direktor 3 direktor 4
Gambar 4.4 Arus Antena Yagi 6 elemen Dengan ukuran desain yang sama dan sebagai pembanding dari hasil analisa antena yagi 6 elemen diatas adalah dengan ditambahkan beberapa elemen direktor, sehingga antena yagi menjadi 15 elemen. Eksperimen ini dilakukan untuk menguji apakah nantinya akan dihasilkan desain antena yagi yang baik dengan VSWR lebih kecil mendekati 1 dan apakah mendapatkan nilai gain yang tinggi, sehingga performansi antena akan didapatkan dari hasil analisa percobaan ini yang tentunya
59
sebagai data kita untuk mencoba membuat antena yagi yang sebenarnya sesuai dengan aplikasi dari antena yagi ini. Eksperimen ini juga dilakukan oleh National Bureau of Standards (NBS Design), penulis akan mengamati hasil analisa dari antena yagi ini dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional, detail ukurannya digambarkan sebagai berikut :
0.008 5
Gambar 4.5 Detail Desain Antena Yagi 15 elemen Hasil simulasi dengan menggunakan Software Mininec Broadcast Professional pada desain antena yagi dengan 15 elemen diatas adalah : 1. Untuk nilai VSWR yang dijadikan sebagai parameter dalam desain antena yagi yang baik penulis ambil pada range frekuensi yang nilai VSWR –nya kecil yaitu : IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 20, sector 1 . 287. 26.70775 -3.527922 288. 27.7465 -.5288396 289. 28.77344 2.262037 290. 29.69852 4.839551 291. 30.42513 7.241437 292. 30.86705 9.546451 293. 30.97386 11.87637
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
26.93975 27.75154 28.86222 30.09025 31.27502 32.30959 33.1727
352.48 358.91 4.5 9.26 13.39 17.19 20.98
1.89 1.81 1.75 1.71 1.7 1.72 1.76
. Tabel 4.3 Hasil Impedansi Antena Yagi 15 Elemen
60
2. Gambar 4.6 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena yagi 15 elemen. Kawat kedua sebagai Batang eksitasi (driven element) adalah batang yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Arus yang mengalir di sana relatif besar. Pada frekuensi 290 MHz dan dengan daya 1 watt, maka Arus yang mengalir pada driven elemen sebesar 0.189ampere. Antena-antena yang lain (elemen pasif/elemen parasitis) walaupun tidak didriven, tetapi di sana akibat induksi dari antena driven, mengalir pula arus listrik dengan besar yang relatif lebih kecil dari yang di-driven. Kawat antena yagi yang pertama yang sebagai reflektor arus listriknya sebesar 0.1205ampere. Berbasiskan pada arus yang diketahui di setiap batang antena di atas, maka medan listrik E dan medan magnet H, baik di medan dekat ataupun di medan jauh bisa dihitung. Kemudian arus listrik ini mengalir pada kawat direktor yang besarnya tentunya lebih kecil karena akibat induksi dari antena driven, untuk lebih jelasnya amati gambar hasil simulasi yang ditunjukkan dalam Software MBPRO berikut ini :
Driven elemen Reflektor
direktor
Gambar 4.6 Arus Antena Yagi 15 elemen
61
3. Gambar 4.7 yang menunjukkan diagram radiasi dari antena yagi 15 elemen tersebut. Pola pancaran pada antena yagi 15 elemen ini diamati pada frekuensi 291 MHz karena nilai VSWR yang paling kecil, dari hasil inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk yagi 15 elemen ini sebesar 14.87 dB pada 880. -3dB (lower, upper)=73.520; 106.480 dan front to back ratio=12.14 dB.
Gambar 4.7 Power Gain Antena Yagi 15 Elemen Eksperimen ini juga dilakukan oleh National Bureau of Standards (NBS Design), dibawah ini hasilnya yang menggunakan program Matlab dan dapat dijadikan perbandingan dengan Mininec.
Gambar 4.8 Hasil NBS desain Antena Yagi 15 Elemen
62
Berdasarkan hasil eksperimen desain antena yagi diatas, maka dapat disimpulkan bahwa antena yagi 15 elemen jauh lebih baik dari antena yagi 6 elemen untuk nilai VSWR dan nilai gain yang diperoleh. Jadi penambahan elemen kawat yang sebagai Direktor sangat berpengaruh pada performansi antena yagi yang baik untuk menghasilkan VSWR lebih kecil mendekati 1 dan mendapatkan nilai gain yang tinggi. Untuk lebih jelasnya, perbedaan itu ada pada Diagram Tabel 4.4 dan Diagram Tabel 4.5 di bawah ini :
SWR
ANTENA YAGI
2 6 Elemen 15 Elemen
1
287
288
289
290
291
292
293
Frekuensi (MHz)
Tabel 4.4 Nilai VSWR Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen
ANTENA YAGI
Power Gain (dBi)
16 15 14 6 Elemen
13
15 Elemen
12 11 10
287 288 289 290 291 292 293 Frekuensi (MHz)
Tabel 4.5 Nilai Power Gain Antena Yagi 6 Elemen dan Antena Yagi 15 Elemen
63
HASIL ANALISA DARI PEMBANDING DESAIN ANTENA YAGI : Hasil analisa antena yagi 12 elemen dengan menggunakan Software MBPRO adalah : ¾ Antena yagi 12 elemen ini diuji pada range frekuensi 100-200 MHz dan dibawah ini terlihat hasil VSWR yang kurang dari 2 berada pada range frekuensi 141-149 MHz. Untuk frekuensi 148 MHz nilai VSWR=1.03 ini adalah performansi antena yagi 12 elemen yang baik, karena nilainya yang paling kecil dengan besar impedansi 48.72ohms dan phase 0.8deg. IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 17, sector 1 . 141. 27.26047 -7.058674 142. 32.31956 -2.189973 143. 37.05084 1.205438 144. 40.94532 3.338744 145. 43.76515 4.719267 146. 45.90025 5.681636 147. 48.05901 5.366455 148. 48.71315 .683327 149. 38.55682 -7.188128
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
28.15951 32.39367 37.07045 41.08122 44.01886 46.25056 48.3577 48.71794 39.22114
345.48 356.12 1.86 4.66 6.15 7.06 6.37 .8 349.44
1.89 1.56 1.36 1.24 1.19 1.16 1.13 1.03 1.36
. Tabel 4.6 Hasil Impedansi Antena Yagi 12 Elemen Untuk lebih jelasnya perhatikan Tabel diagram dari nilai VSWR berikut ini : ANTENA YAGI 12 ELEMEN 2
SWR
1.8 1.6 12 Elemen 1.4 1.2 1 141
142
143
144
145
146
147
148
149
FREKUENSI (MHz)
Tabel 4.7 Nilai VSWR Antena Yagi 12 Elemen
64 ¾ Untuk melihat diagram radiasi dari desain antena yagi 12 elemen ini, diamati pada frekuensi 148 MHz karena nilai VSWR yang paling kecil, dari hasil inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk yagi 12 elemen ini sebesar 14.48 dB pada 880. -3dB (lower, upper)=72.0; 107.990 dan front to back ratio=24.58 dB adalah :
Gambar 4.9 Power Gain Antena Yagi 12 Elemen ¾ Berikut ini diagram radiasi dari hasil desain antena yagi 12 elemen dengan menggunakan program NEC-4 diuji pada frekuensi 148 MHz dapat dijadikan pembanding dari hasil desain, dengan gain 14.27 dBi, front-to-back ratio 23.14 dB, nilai impedansi 43.9 - j 4.0 Ohms, dan nilai 50-Ohm SWR 1.17:1.
Gambar 4.10 Power Gain Antena Yagi 12 Elemen menggunakan program NEC-4
65 ¾ Gambar 4.11 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena yagi 12 elemen. Arus listrik diamati pada frekuensi 148 MHz dan dengan daya 1 watt, Arus yang mengalir paling besar pada direktor 1 (kawat3) sebesar 0.193ampere. Selanjutnya direktor 4, direktor 3 dan driven elemen yang sebagai Batang eksitasi (driven element) adalah batang yang diberikan tegangan listrik di tengahnya. Kawat antena yagi yang pertama yang sebagai reflektor arus listriknya relatif kecil sebesar 0.0643ampere. Untuk lebih jelasnya distribusi arus listrik ini dapat dilihat pada gambar berikut :
Direktor1 Direktor3 Driven elemen
Direktor4 Direktor5
Direktor2 Direktor6 Reflektor
Gambar 4.11 Arus Antena Yagi 12 elemen
Antena Log Periodic Dipol Array Hasil perhitungan dan analisa dari desain antena log periodic dengan menggunakan Software MBPRO adalah sebagai berikut : I. Untuk desain LPDA model 8904 yang panjangnya 34.87' dengan 10 elemen, nilai tau=0.89 dan sigma=0.04 yang diuji pada range frekuensi 7-15 MHz. Setelah dilakukan perhitungan, maka didapatkan nilai VSWR yang paling kecil pada frekuensi 7 MHz jadi antena ini bekerja baik pada frekuensi ini. Untuk
66
lebih jelasnya perhatikanlah Tabel 4.8 analisa hasil perhitungan impedansi dan nilai VSWR pada tiap frekuensinya berikut ini : IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 16, sector 1 . 6. 41.30939 -64.93405 7. 24.27195 22.22159 8. 21.69329 196.4027 9. 70.51372 433.1613 10. 282.25 839.1293 11. 1534.049 1349.093 12. 1716.042 -1179.042 13. 605.0299 -919.2402 14. 319.3851 -727.9198 15. 138.2712 -534.8424 .
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
76.96036 32.90784 197.5971 438.8632 885.3265 2042.88 2082.052 1100.483 794.9051 552.4268
302.46 42.47 83.7 80.75 71.41 41.33 325.51 303.35 293.69 284.5
3.82 2.57 38.3 55.4 55.7 54.5 50.6 40.1 39.7 44.5
Tabel 4.8 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 10 Elemen Untuk melihat diagram radiasi dari frekuensi 7 MHz ini perhatikanlah Gambar 4.12. Dari gambar diagram radiasi inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk antena log periodic 10 elemen ini sebesar 6.386 dB pada 00. -3dB (lower, upper)=325.870; 34.190 dan front to back ratio=19.3 dB, lebih jelasnya sebagai berikut :
Gambar 4.12 Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen
67
Untuk pembanding penulis juga melihat referensi dari hasil desain dengan program EZNEC yang dilakukan oleh L. B. Cebik, W4RNL. Untuk hasil simulasi program EZNEC/4 ver. 2.5 :
Gambar 4.13 Power Gain Antena Log Periodic 10 Elemen dengan menggunakan Program EZNEC/4 Gambar 4.14 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena log periodic 10 elemen. Arus listrik diamati pada frekuensi 7 MHz dan dengan daya 1 watt, kawat pertama dengan arus yang paling besar karena diberikan tegangan (feeding) sebesar 0.205ampere, arus pada kawat kedua lebih kecil daripada kawat pertama berangsur semakin kecil arus pada kawat berikutnya, lebih jelasnya ada pada gambar berikut :
Kawat1 Kawat2
Kawat3 Kawat4
Gambar 4.14 Arus Antena log periodic 10 elemen
68
II. Untuk desain LPDA kedua dengan 18-elemen yang diuji pada range frekuensi 290-300 MHz, dengan nilai Tau=0.9024 dan Sigma=0.0519. Setelah dilakukan perhitungan, maka didapatkan nilai VSWR yang paling kecil pada range frekuensi 290-300 MHz, jadi antena ini bekerja baik pada frekuensi ini. Untuk lebih jelasnya perhatikanlah Tabel 4.9 analisa hasil perhitungan impedansi dan nilai VSWR pada tiap frekuensinya berikut ini : IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 54, sector 1 . 290. 67.77162 -33.31824 291. 68.79999 -27.85645 292. 69.82593 -22.32249 293. 70.84441 -16.70201 294. 71.84994 -10.97793 295. 72.83279 -5.141344 296. 73.78906 .8373042 297. 74.71199 6.986621 298. 75.59393 13.329 299. 76.43643 19.90893 300. 77.23181 26.76299 .
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
75.51886 74.22547 73.30726 72.78658 72.68375 73.01404 73.79382 75.03796 76.76004 78.98667 81.73745
333.82 337.96 342.27 346.73 351.31 355.96 .65 5.34 10. 14.6 19.11
1.9 1.77 1.65 1.57 1.5 1.48 1.48 1.52 1.6 1.7 1.84
Tabel 4.9 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 18 Elemen Untuk lebih jelasnya perhatikan Tabel diagram dari nilai VSWR berikut ini :
Log Periodic 18 Elemen 2 1.9 1.8
SWR
1.7 1.6 1.5
9 Elemen
1.4 1.3 1.2 1.1 1 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 Frekuensi (MHz)
Tabel 4.10 Nilai VSWR Antena Log Periodic 18 Elemen
69
Untuk melihat diagram radiasi dari desain antena log periodic 18 elemen ini, diamati pada frekuensi 296 MHz karena nilai VSWR yang paling kecil, dari hasil inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk antena log periodic 18 elemen ini sebesar -150.5 dB pada 280. -3dB (lower, upper)=350.620; 48.850 dan front to back ratio=4.614 dB adalah :
Gambar 4.15 Power Gain Antena Log Periodic 18 Elemen Gambar 4.16 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena log periodic 18 elemen. Arus listrik diamati pada frekuensi 296 MHz dan dengan daya 1 watt, kawat pertama dengan arus yang paling besar karena diberikan tegangan (feeding) sebesar 0.117ampere, arus pada kawat kedua lebih kecil daripada kawat pertama berangsur semakin kecil arus pada kawat berikutnya, lebih jelasnya ada pada gambar berikut :
70
Kawat1
Kawat2
Kawat3 Kawat4
Gambar 4.16 Arus Antena log periodic 18 elemen III. Desain terakhir LPDA, penulis mencoba desain LPDA dengan memilih nilai Tau dan Sigma yang dekat dengan nilai maksimumnya yaitu dengan Tau=0.97 dan nilai Sigma=0.18 yang diuji pada range frekuensi 365-385 MHz. Untuk lebih jelasnya perhatikanlah Tabel 4.11 analisa hasil perhitungan impedansi dan nilai VSWR pada tiap frekuensinya berikut ini : IMPEDANCE frequency resistance reactance (MHz) (ohms) (ohms) source = 1; node 15, sector 1 . 365. 45.39482 -38.08798 366. 45.31198 -35.14046 367. 45.20473 -32.17456 368. 45.07194 -29.17669 369. 44.91043 -26.15669 370. 44.72116 -23.10337 371. 44.50275 -20.01447 372. 44.25078 -16.88104 373. 43.96962 -13.70424 374. 43.65372 -10.47532 375. 43.30222 -7.18402 376. 42.91594 -3.817908 377. 42.49645 -.3692847 378. 42.05013 3.165848 379. 41.57445 6.80122 380. 41.08037 10.56303 381. 40.57493 14.45287 382. 40.0703 18.49475 383. 39.58611 22.70435 384. 39.14377 27.09292 385. 38.77311 31.67075 .
impedance (ohms)
phase (deg)
VSWR
59.25693 57.34132 55.48577 53.69133 51.97229 50.33635 48.79625 47.36139 46.05577 44.89297 43.8941 43.08543 42.49805 42.16914 42.12709 42.41668 43.07215 44.13258 45.63494 47.60526 50.06386
320. 322.21 324.56 327.08 329.78 332.68 335.78 339.12 342.69 346.51 350.58 354.92 359.5 4.31 9.29 14.42 19.61 24.78 29.84 34.69 39.24
2.2 2.08 1.96 1.85 1.75 1.65 1.55 1.46 1.38 1.3 1.24 1.19 1.18 1.21 1.27 1.36 1.47 1.6 1.75 1.92 2.11
Tabel 4.11 Hasil Impedansi Antena Log Periodic 40 Elemen
71
Untuk lebih jelasnya perhatikan Tabel diagram dari nilai VSWR berikut ini : Log Periodic 40 Elemen
SWR
2 1.75 40 Elemen 1.5 1.25
38 5
38 3
38 1
37 9
37 7
37 5
37 3
37 1
36 9
36 7
36 5
1
Frekuensi (MHz)
Tabel 4.12 Nilai VSWR Antena Log Periodic 40 Elemen Untuk melihat diagram radiasi dari desain antena log periodic 40 elemen ini, diamati pada frekuensi 377 MHz karena nilai VSWR yang paling kecil, dari hasil inilah bisa diketahui besar daripada power gain untuk antena log periodic 40 elemen ini sebesar 11.39 dB pada 00. -3dB (lower, upper)=338.970; 21.020 dan front to back ratio=9.567 dB adalah :
Gambar 4.17 Power Gain Antena Log Periodic 40 Elemen
72
Gambar 4.18 menunjukkan distribusi arus listrik yang berada di setiap kawat antena log periodic 18 elemen. Arus listrik diamati pada frekuensi 377 MHz dan dengan daya 1 watt, kawat pertama dengan arus yang paling besar karena diberikan tegangan (feeding) sebesar 0.154ampere, arus pada kawat kedua lebih kecil daripada kawat pertama berangsur semakin kecil arus pada kawat berikutnya, lebih jelasnya ada pada gambar berikut :
Kawat1
Kawat2
Kawat3 Kawat4
Gambar 4.18 Arus Antena log periodic 40 elemen Tabel 4.13 Hasil percobaan desain antena log periodic diatas, bahwa parameter tau dan sigma yang besar dengan nilai τ<1 dan jumlah elemen yang lebih banyak pada range frekuensi yang lebih besar akan menghasilkan VSWR lebih kecil (mendekati 1) dan mendapatkan nilai gain lebih tinggi, sehingga menunjukkan performansi antena yang lebih baik. Percobaan
Jumlah Elemen
Parameter Tau(τ) Sigma(σ)
I
10
0.89
0.04
II
18
0.9024
0.0519
III
40
0.97
0.18
Range Frekuensi
Nilai VSWR
7-15 MHz 290-300 MHz 365-385 MHz
2.5744.5 1.91.84 2.22.11
Minimum VSWR
Performansi Antena
2.57
Kurang Baik
1.48
Baik
1.18
Lebih Baik
Tabel 4.13 Hasil Percobaan Desain Antena Log Periodic
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
KESIMPULAN 1. Desain antena dipol kembar yang menunjukkan performansi antena yang baik adalah yang mempunyai panjang l=50cm dan jaraknya d=20cm, karena mempunyai nilai VSWR yang jauh lebih kecil (mendekati 1), sedangkan desain lainnya nilai VSWR-nya terlalu besar dan kurang begitu baik buat data dan pembanding dalam membuat antena. Jadi faktor jarak antena dipol ini sangat berpengaruh pada performansi antena yang baik. 2. Antena yagi 15 elemen jauh lebih baik dari antena yagi 6 elemen untuk nilai VSWR dan nilai gain yang diperoleh. Jadi penambahan elemen kawat yang sebagai Direktor sangat berpengaruh pada performansi antena yagi yang baik untuk menghasilkan VSWR lebih kecil (mendekati 1) dan mendapatkan nilai gain yang tinggi. 3. Antena yagi 12 elemen yang didesain dengan pengaturan jarak pada tiap elemen kawat Direktor sedemikian rupa sehingga hasil analisa antena yagi 12 elemen ini menunjukkan performansi antena yang baik. 4. Dengan hasil percobaan desain antena log periodic, bahwa parameter tau dan sigma yang besar dengan nilai τ<1 dan jumlah elemen yang lebih banyak pada range frekuensi yang lebih besar akan menghasilkan VSWR lebih kecil (mendekati 1) dan mendapatkan nilai gain lebih tinggi, sehingga menunjukkan performansi antena yang lebih baik.
73
74
5.2
SARAN 1. Aplikasi dalam software Mininec Broadcast Professional masih banyak sehingga perlu dikembangkan untuk menganalisa masalah-masalah antena yang didesain. 2. Perhitungan dan hasil data dari program ini untuk dijadikan perbandingan dalam pengukuran secara real yang tentunya tidak cukup disini saja, lanjutkan dengan membuat antena, kemudian ukur dan bandingkan dengan data yang dihasilkan oleh program tersebut.
DAFTAR PUSTAKA
Alaydrus, Mudrik, Dr.-Ing, Modul-modul Antena dan Propagasi, Jakarta Rockway, J. W. and J. C. Logan, MININEC Broadcast Professional for Windows, EM Scientific, Carson City, Nevada, 1996. http://www.emsci.com/ http://en.wikipedia.org/wiki/ L. B. Cebik, W4RNL, “Antenna Modeling, Radiation Plot, Amateur Radio, LPDA Design and Modeling Data, Doctoring the Basic Design LPDA”, Up-date 1999-2006 Prasad, S. and R. W. P. King, "Experimental Study of L-, T- and Related Transmission Line Antennas," Journal of Research of the National Bureau of Standards - D Radio Propagation, Vol. 65D, No. 5, Sept-Oct 1961. Rockway, J. W., J. C. Logan, R. G. Olsen, "EMC Applications for Expert MININEC", IEEE EMC Society Newsletter, July 2003.
75
