Antena dan Propagsi Gelombang

GELOMBANG RADIO & TELEKOMUNIKASI

Sejarah telekomunikasi listrik : 1873 Maxwell (C), 1880 H.R Herz (T.I Karlsruhe,lab.), 1901 Marconi (lapangan), 1931 Faraday (L),1938 SFB Morse hubungan telegrap 16 km.

Sekarang : 1. telepon, radio & TV → sehari-hari

2. jaringan global komunikasi suara, gambar, tulisan, data/komputer3. penelitian & pertahanan : radar, telemetri, computer & communication beserta jaringannya

1.1 Elemen Sistem KomunikasiFungsi dasar sistem komunikasi sama : - transmisi/pengiriman informasi

- tiap macam sistem mempunyai kekhususan sendiri.Definisi komunikasi : Proses pemindahan/penyaluran informasi dari suatu titik dalam ruang

pada waktu tertentu (titik sumber) ke titik lain yang merupakan tujuan atau pemakai. Message merupakan salah satu manifestasi (bentuk fisik) informasiSumber informasi : orang, alat musik, mesin →messagenya huruf, tekanan

udara fungsi waktu, cahaya yang berubah-ubah, dll.Tujuan komunikasi : menyediakan replika message pada tempat tujuan.Transduser : mengubah message menjadi sinyal listrik atau sebaliknya, f(t) ke i(t)

1. transduser input (TI)2. transduser output (TO)

Elemen komunikasi

Elemen sistem komunikasi – menurut fungsinya, dalam hardware mungkin susah dipisahkan.

Gambar 1-1 Elemen sistem komunikasiPemancar Tx : mengkopel message dalam bentuk sinyal yang ditransmisikan ke

kanal transmisi . Signal prosesing untuk transmisi yang efektif dan efisien antara lain modulasi, penyesuaian sinyal dengan sifat-sifat kanal transmisi.

Kanal transmisi : Sebagai penyambung listrik antara Tx - Rx sekaligus menjembatani sumber informasi (SI) dan tempat tujuan (TT).

Contoh kanal transmisi : kabel coax, 2 kawat, waveguide, berkas laser, gelombang radio dll.

Sifat utama : meredam, umumnya sangat besar.Penerima Rx : mengambil sebagian kecil sinyal dari kanal transmisi, memproses

dan meneruskannya ke transduser output. Proses utama : demodulasi/deteksi, juga penguatan karena sinyal pada umumnya sangat kecil.

T I Tx CH Rx T O

derauinterferensi

distorsi

redaman

SI

messageinput sinyal

inputsinyal yg

ditransmisikansinyalinput

sinyaloutput

messageoutput

T T

Redaman dan derau

Dalam perjalanan sinyal dari SI ke TT terjadi perubahan dan pengaruh yang tidak dikehendaki: 1. redaman

mudah diatasi dengan penguatan2. distorsi - perubahan amplituda, frekuensi & fasa - pada sinyal ada distorsi, tidak ada sinyal distorsi hilang. - ditoleransikan sampai batas tertentu, hubungan dengan peralatan/kompensasi - disebabkan oleh respon sistem yang tidak sempurna terhadap sinyal.3. interferensi

- gangguan yang disebabkan oleh sinyal di luar sinyal yang diinginkan, biasanya buatan manusia - gangguan yang serupa dengan sinyal - diatasi dengan menghilangkan sinyal interferensi/sumbernya.4. derau - gangguan yang tak mungkin dihilangkan walaupun secara teoritis - sinyal sebarang dan tak teramalkan yang bersumber dari sebab alamiah - informasi dapat tertutup oleh derau - sinyal harus > derau. S/N > 40 db, 10 e-9 ≤ Pe ≤10 e-3

Telekomunikasi radio

1.1.1 Telekomunikasi Radio Saluran transmisi antara Tx - Rx dapat berbentuk fisik atau non fisik (vakum, ruang bebas). Pada

komunikasi radio gelombang EM dilepaskan ke ruang bebas oleh antena. Ruang bebas dapat berisi atmosfir bumi dan terhadap gelombang elektromagnetik terjadi :

1. pembiasan/pembelokan 2. pantulan, pembelokan dengan sudut datang = sudut pantul 3. hamburan atau penyebaran ke mana-mana 4. penyerapan sebagian /absorpsi

Tx

salurantransmisi fisik

Antena

pemancar

saluran transmisinon fisik

Rx

Antena

penerima

Gambar 1-2 Sistem Komunikasi Radio

Telekomunikasi radio

Tx : menghasilkan daya RF → saluran transmisi → antena → dipancarkan ke segala arahRx : mengambil sebagian kecil daya gelombang elektromagnetik dari pemancar yang ada di

ruang bebas melalui antena → saluran transmisi → Rx diproses.Penerimaan daya oleh antena sekitar 10-8 watt merupakan daya yang besar & mudah diproses.Efisiensi transfer daya hampir sama dengan nol. Efisiensi komunikasi → informasi yang diterima kalau replika diterima sempurna sepanjang

waktu → efisiensi 100 % . Reliabilitas dalam praktek ≈ 99.99 %.Kualitas penerimaan informasi : S/N (analog) atau BER : Bit Error Rate (digital).

Spektrum Frekuensi dan Perambatan Gelombang Kelakuan gelombang elektromagnetik antara Tx = Rx tunduk kepada hukum-hukum fisika yang tak dapat di-

atur atau kuasai. Salah satu parameter yang mempengaruhi frekuensi dengan pembagian sebagai berikut(alokasi frekuensi):

0.3 M

f /Hz Ultraviolettampakinframerah

Serat optik Sinar laserpercobaan-percobaan kom.multi kanal TV, data, dsb.

Nama media transmisi pemakaianλ

10-6 m

100 µm

gelombangEHF mm

3000 G

1 mm300 G

1 cm30 G

Salurangelombang

radio(waveguide)

radiomicrowave

G300402718128421

10 cm

super high freg.SHF

ultra high freq.U H F1 m

3 G

300 Mvery high freq.

VHF kabelkoaksial10 m30 M

T V U H Fmobile, aeronautika

high frequencyHF

radiogelombang

pendekTV VHF, FMradio mobile

100 m3 M medium freq.MF1 km

radiogelombang

panjang

komersial amateur international. DF, CB

lower frequencyLF

10 km30 sepasangkawatvery low freq.

VLF100 km3 audio frequencyA F1 Mm300

10 Mm30

broadcast AMaeronautika kabel laut navigasi,radio beacon, radio samuderaPLC, kom. kapal selam

sonartelepontelegrap

1000 T100 T

100 G

10 G

1 G

100 M

10 M

1 M

100 k

International Telecommunication Union

Comite Consultatif International de Radiocommunication

International Telegraph & Telephone Consultative Committee

I. T. U

C C I R

C C I T T

:

::

LSCXKUKKa1 mm

percoban-percobaannavigasisatelit-satelitrele microwavesatelit - bumiradar30 cm radiosound

ELF

k

k

Proses propagasi

Spesifikasi dapat ditentukan / disesuaikan, dikuasai sepenuhnya.Dapat dikontrol - Tx (mod)

- Rx (demod) - Antena- Frekuensi- dll.

Tak dapat dikontrol : - perambatan gelombang - parameter lain menyesuaikan diri

- diharapkan prediksi yang tepat - probabilitas, tak dapat dikuasai sepenuhnya.

Penelitian/pengukuran untuk prediksi & penyesuaian :- pemilihan frekuensi- pengukuran sifat atmosfir bumi

penyerapan pembiasan redaman pemantulan fading hamburan

- pengukuran sifat perambatan bumi konduktivitas permeabilitas → redaman permitivitas

- penyebaran → redaman lintasan

Proses propagasi

Proses propagasi gelombang dapat dianalisis menggunakan gabungan dari dua macam pendekatan yaitu: - empiris , (sempit)

- pengembangan teori (hukum-hukum fisika) sulit.

Mekanisme perambatan gelombang antara Tx - Rx merupakan gabungan macam-macamperambatan, tapi selalu ada yang dominan sebagai berikut :

a. Gelombang permukaan bumi, ground wave

(a) ground wave , f < 3 MHz b. Gelombang langit, sky wave

(b) sky wave

+ + + + + + +

P

H

E

Tx Rx

Ionosfir

Proses propagasi

c. Gelombang ruang , space wave

d. Gelombang langsung , direct wave

e. Hamburan troposfir, tropo scatter

f > 30 MHzd : dekat/ sedang

= 50 kmfading

Bumi

f1f2

satelit

d >>f > 30 MHzumumnya GHz

f > 30 MHzd : jarak kom.

dekat

Karakteristik antena

f. Gabungan / kombinasi dari dua atau lebih macam propagasi di atas. Misalnya : ground wave & sky wave pada standard broadcast (primary & secondary

services). Tropo scatter dan difraksi.g. Lain2 seperti : komunikasi dengan meteor burst, hamburan ionosfir pantulan satelit, bulan dll.1.2 Definisi-definisi & karakteristik antenaAntena digunakan dalam komunikasi radio sebagai :a). pelepas energi elektromagnetik ke udara/ruang bebas sehingga berlaku sebagai pemancar

atau sumber gelombang elektromagnetik.b). penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas. Contoh sehari-hari :

R DE D1D2

D3D4

Macam-macam antena

1.2.1 Macam-macam antena :• Antena kawat

dipole

helix

Loopnx

whip

Beveragedll.

Macam-macam antena

Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.

Corong piramid corong kerucut

Bumbung gelombang terbuka celah pada dinding tabung, dll

Macam-macam antena

Antena susunan

Antena pemantul

Feed

pemantul

Feed

pemantul 1

pemantul 2

pemantul

feed

Macam-macam antena

Antena apertur : terutama untuk pesawat terbang & pesawat ruang angkasa.

Corong piramid corong kerucut

Bumbung gelombang terbuka celah pd dinding tabung, dll

1.3 Definisi & konsep

Gambar 1-6 Elemen sistem komunikasi radioa. Antena : transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang

bebas atau sebaliknya.: struktur transisi antara gelombang terbimbing dan gelombang bebas.

b. Saluran transmisi : alat untuk membimbing energi gelombang EM dari suatu titik ke titik lain.

Syarat : - redaman minimum - rugi-rugi panas <<

- rugi-rugi pancaran <<

Gel. bebas

TXsal. transmisi

(gelombang terbimbing)sal. transmisi

(gelombang terbimbing)

RX

Konsep antena

- tidak menyebar, mengikuti saluran transmisi → satu dimensi. Contoh : 2 kawat, wave guide, kabel dll.

c. Resonator:alat yang menunjukkan adanya gelombang berdiri/ada konsentrasi energi medan listrik & magnet, faktor Q = daya yang tersimpan/daya masuk atau keluar → cavity resonator.

Cavity

C L

stub saluran dihubung singkat

Konsep antena

Fungsi utama mendefinisikan alat mana yang paling dominan. Gelombang radio di udara mempunyai panjang gelombang ribuan km sampai mm → terus sampai di daerah ultra violet.

d. panjang gelombang :

P2P1P0

saluran transmisi antena

resonator

MHz

phasa

MHzm f

v

f300 ==λ

r

0m

'

ελ

=λ

Daerah antena

(a) daerah antena ( b, c ) ekivalensi antenaGambar 1-8 Daerah pengaruh antena

--------------- Daerah antena: d. antena d. Freshnel d. Fraunhofer : benda-benda di daerah ini tidak mempengaruhi antena, medan EM

transversallebar bidang frekuensi/bandwidth antena ditentukan oleh : - bentuk fisik → perubahan perlahan-lahan B > > - transformasi impedansi

definisi : daerah frekuensi dimana SWR ≤ harga tertentu 1.1, 1.35, 1.5 dan 2

L

d. Freshneld. interferensid. medan dekat

d. antena

R1

R2 λ=

2L2

∞ d. Fraunhafer d. medan jauh

2ZL 2ZL

Z0

Z0

( a )

( b )

Z1Z0 ZL

( c )

Benda-benda di daerah ini berpengaruh terhadap sifat-sifat antenadan medan EM belum transversal penuh

Parameter antena

• Gambar 1-9 Antena seimbang atau balans

• Gambar 1-10 Antena tidak seimbang atau unbalans

• L = ∞ dalam praktek dibuat dengan cara L >> λ.

DD

constdD =

d ∞

B1B2 B3 B4 B5

B5B4B3

h

B2

dD

.constdD =

∞

B1