---------------------------------------------------------------MODULKONSEP DASAR ANTENA---------------------------------------------------------------A. DEFINISI

Antena digunakan pada komunikasi radio sebagai pelepas energi elektromagnetik ke

ruang bebas dan sebagai penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas.

Definisi antena sbb :

Sebuah divais metal (kawat) untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio.(Webster’s Dictionary).

Sebuah alat untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio.

[IEEE standard definitions of Terms for Antennas (IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vols. AP-17, No 3, May 1969 dan AP-22, No 1, Jan 1974)]

Sebuah struktur transisi antara ruang bebas dan sebuah divais terbimbing

Transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas atau sebaliknya.

B. MACAM-MACAM ANTENA

Bentuk dan dimensi antena bermacam-macam, yang dapat dikelompokkan sbb :a. Antena kawat, merupakan jenis antena yang paling populer karena sering

dilihat sehari-hari – pada kendaraan mobil, gedung, kapal-kapal, pesawat

terbang, spacecraft, telepon, TV, dll.

Bentuk antena kawat bermacam-macam : linier (dipole, monopole, whip/pecut), loop

(sirkular, rektangular, segitiga, elips), dan helix.

b. Antena apertur, merupakan jenis antena yang banyak digunakan pada

frekuensi tinggi. Biasanya terdapat pada aircraft dan spacecraft karena

kemudahannya dalam pemasangannya.

c. Antena susunan, merupakan susunan beberapa antena sejenis sedemikian

sehingga karakteristik radiasi yang diinginkan dapat diperoleh.

d. Antena reflektor, merupakan antena yang cocok digunakan untuk eksplorasi

angkasa luar karena gain yang besar sebanding dengan dimensinya. Bentuk

reflektor dapat berupa bidang datar, sudut, dan parabola.

e. Antena lens. Lensa digunakan terutama untuk mengkolimasi energi

elektromagnetik agar tidak tersebar ke arah yang tidak diinginkan. Antena

lensa diklasifikasikan berdasarkan bahan konstruksi, atau berdasarkan bentuk

geometris.

C. DAERAH ANTENA

Ruang di sekeliling antena biasanya dibagi dalam 3 daerah:

D = panjang antenna dan = panjang gelombang

Daerah medan dekat reaktif (daerah antena)

Merupakan daerah dimana medan reaktif sangat dominan. Radius daerah ini

adalah:

Daerah medan dekat radiasi (daerah Freshnel)

Didefinisikan sebagai daerah medan antena antara medan-dekat reaktif dan daerah

medan jauh dimana medan radiasi dominan dan distribusi medan bergantung pada

jarak dari antena. Radius daerah Freshnel:

Daerah medan jauh (daerah Fraunhofer)

Merupakan daerah medan antena dimana distribusi medan tidak lagi bergantung

pada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan transversal dan distribusi

angular tidak bergantung pada jarak radial dimana pengukuran dibuat. Pola radiasi

diperoleh dari pengukuran yang dilakukan di daerah ini.

D. KONSEP SUMBER TITIK

Konsep sumber titik berguna untuk lebih memudahkan perhitungan mengenai daya

terima, pada medan jauh / tempat yang jauh. Antena dianggap sebagai sumber

titik karena dimensinya adalah jauh lebih kecil dari jarak antara Antenna

pengirim dengan titik observasi.

Syarat Antenna sebagai sumber titik :

Mempunyai medan jauh transversal.

Medan magnet tegak lurus medan listrik.

Rapat daya P yang menembus bidang bola observasi mengarah radial keluar

semuanya.

Dengan ekstrapolasi, semua rapat dayanya berasal dari volume yang sangat kecil

atau titik O, tidak bergantung pada dimensi fisiknya.

Definisi sumber titik :

Sumber titik adalah titik potong semua rapat daya di tempat jauh

Untuk mengetahui distribusi medan/daya di tempat jauh, maka dilakukan

pengukuran pada pada jarak R konstan.

Sumber titik berlaku untuk medan jauh, dengan persyaratan : R>> , R>>d, dan

R>>b

Pengukuran :

Pengukuran medan dan rapat daya, pengukuran pada bola dengan R konstan,

dengan titik pusat bola observasi berimpit pada “sumber titik “, dapat dilakukan

pada satu titik ukur, tetapi antenanya yang diputar satu lingkaran penuh.

Untuk polarisasi eliptik, perlu diukur komponennya (amplitudo dan fasa).

Pengukuran fasa perlu M berimpit O, untuk menghindari beda fasa relatif.

E. TEOREMA RESIPROSITAS CARSON

Tujuan :Untuk membuktikan bahwa karakteristik antena sebagai pemancar berlaku juga

pada antena sebagai penerima.

Asumsi dasar :Jika, transmisi energi antara antenna A dan B yang melalui medium homogen,

isotropis, linear, dan pasif, dapat dimodelkan sebagai Rangkaian-T.

Antena A dan B sama,fungsinya dipertukarkan sebagai pengirim dan penerima.

Teorema Carson menyatakan bahwa,“ Untuk medium transmisi yang homogen dan isotropis, Jika suatu tegangan

dipasangkan pada terminal suatu antena A, maka arus yang sama ( amplitudo dan

fasa ) akan diperoleh pada terminal A seandainya tegangan yang sama dipasangkan

pada terminal B.”

F. PARAMETER-PARAMETER ANTENA

Diagram skematis parameter-parameter dasar antena yang menggambarkan

dualitas sebuah antena, yaitu di satu sisi antena sebagai elemen rangkaian dan di

sisi lain antena sebagai elemen ruang.

RADIATION PATTERN (POLA RADIASI) Pola radiasi dari suatu antena merupakan gambaran dari intensitas pancaran

antena sebagai fungsi dari parameter koordinat bola (θ,φ). Dalam berbagai kasus,

pola radiasi ditentukan dalam daerah medan jauh untuk jarak radial dan

frekuensi yang konstan. Sebuah pola radiasi tipikal dikarakterisasi oleh sebuah

berkas pancaran utama dengan lebar berkas 3 dB dan sidelobe pada berbagai

level yang berbeda. Kinerja antena sering dideskripsikan dalam pola utama

bidang-E dan bidang-H. Untuk sebuah antena dengan polarisasi linier, bidang-E

dan bidang-H nya didefinisikan sebagai bidang-bidang yang mengandung arah

maksimum radiasi dan vektor-vektor medan listrik dan medan magnet, secara

berurutan. Karakteristik radiasi meliputi: Intensitas Radiasi (U), Kuat Medan (

), fasa, atau polarisasi.

Berdasarkan pola radiasi dibagi menjadi :

1. Pola Endfire dimana pola radiasi terkuatnya diarahkan ke suatu arah tertentu ataudikenal dengan directional, contohnya antena penerima televisi, antena

untuk komunikasi terrestrial. Berikut contoh gambar pola radiasi endfire dari

antena yagi :

Gambar Pola radiasi antena yagi

2. Pola Broadside dimana pola radiasi menyebar ke segala arah disebut juga pola radiasiomnidireksional, contohnya pemancar siaran radio. Berikut conroh gambar pola

radiasi onidireksional dari antena dipole :

Gambar Pola radiasi antena

dipol

3. Pola Isotropis

radiasi idealnya sebagai standar. Berikut contoh gambar pola isotropis:

Pola radiasi diklasifikasikan dalam berbagai jenis, yakni:

Menurut besaran: pola medan, daya, dan fasa

Menurut skala: pola absolut, pola relatif (terhadap referensi) dan pola

ternormalisasi (terhadap maksimum)

BEAM AREA ( Ω A)

Beam area didefinisikan sebagai daerah permukaan bola yang dilihat dari titik pusat

bola tersebut. Dalam terminologi antena, beam area adalah sudut ruang yang seolah-

olah mengandung seluruh daya radiasi jika intensitas radiasinya konstan (dan sama

dengan nilai maksimum U) untuk seluruh sudut dalam A.

HALF POWE R BEAMWIDTH (HPBW)

Definisi HPBW adalah sudut yang dibentuk oleh dua arah yang mempunyai intensitas

radiasi ½ kali (- 3 dB) dari intensitas radiasi maksimumnya; sudut ini terletak dalam

sebuah bidang yang merupakan arah maksimum beam

EFISIENSI B E RKAS (BEAM EFFICIENCY / BE)

Definisi Beam Efficiency (BE) :

1 adalah sudut ½ sudut ruang dimana persentase daya total ingin diketahui.

Efisiensi berkas akan mengindikasikan jumlah daya dalam lobe major

dibanding dengan daya total. Efisiensi berkas yang sangat tinggi (antara null-null atau

minimum-minimum) biasanya dalam 90 %, dibutuhkan oleh antena-antena yang

digunakan dalam radiometry, astronomy, radar, dan aplikasi-aplikasi dimana sinyal

terima melalui sidelobe harus diminimalisir.

RAPAT DA Y A RADIASI ( P )

Besaran yang digunakan untuk menggambarkan daya yang berkaitan dengan

gelombang elektromagnetik adalah vektor Poynting sbb :

dengan rapat daya rata-rata :

Daya total yang menembus permukaan diperoleh dengan mengintegralkan vektor

Poynting terhadap permukaan yang ditembusnya.

dengan daya rata-rata: )* INTENSITA S RADIAS I (U)

Intensitas radiasi dalam arah tertentu adalah daya yang diradiasikan dari sebuah

antena per satuan sudut ruang. Intensitas radiasi adalah parameter medan jauh.

dimanaU = intensitas radiasi (W/sr)

Prad = rapat daya radiasi (W/m2)

Daya total diperoleh dengan mengintegrasikan intensitas radiasi terhadap seluruh

sudut ruang 4. Maka:

Untuk antena isotropis, diperoleh bahwa intensitas radiasinya ke segala arah sama

sehingga:

DIREKTIVITAS (D)

Sebelum mendefinisikan direktivitas, perlu diperkenalkan besaran gain direktif

(directive gain). Gain direktif (Dg) pada arah tertentu adalah perbandingan intensitas

radiasi di arah tersebut terhadap intensitas radiasi antena referensi. Antena referensi

yang digunakan biasanya adalah antena isotropis.

Direktivitas adalah nilai gain direktif di arah nilai maksimumnya (MAG = Maximum

Available Gain).

Direktivitas biasanya dinyatakan dalam dB, yaitu 10 log D0 dB.

Direktivitas sebuah antena isotropis adalah 1, karena daya yang diradiasikan ke segala

arah sama. Untuk antena yang lain, direktivitas akan selalu lebih dari satu, dan ini

adalah figure of merit relatif yang memberikan sebuah indikasi karakteristik

pengarahan antena dibandingkan dengan karakteristik pengarahan antena isotropis.

Untuk menganalisis/menghitung direktivitas ada tiga cara, yaitu :

a. Dengan cara eksak

b. Dengan pendekatan

c. Teknik numerik

GAIN (G)

Gain antena berkaitan erat dengan direktivitas, merupakan besaran yang

memperhitungkan efisiensi antena dan kemampuan direksionalnya. Gain daya sebuah

antena didefinisikan sebagai

4 kali perbandingan intensitas radiasi di arah tersebut terhadap daya terima antena

dari transmitter yang terhubung. Biasanya arah yang dimaksud adalah arah radiasi

maksimum.

Gain relatif adalah perbandingan gain daya di arah tertentu terhadap gain daya antena

referensi dalam arah referensinya. Daya input harus sama untuk kedua antena. Antena

referensi biasanya adalah dipole /2, horn, dan antena lain yang telah diketahui gain-

nya.

dimana Gg = gain direktif; G0 = gain; = efisiensi (%)

Dimensi gain, G0, dinyatakan dalam dB : 10 log G0 dB

EFISIENSI ( )

Efisiensi antena total digunakan untuk menghitung loss-loss pada terminal input

dan dalam struktur antena. Loss-loss tersebut adalah :

Refleksi akibat ketidaksesuaian impedansi antara saluran transmisi dan antena

Loss konduksi dan loss dielektrik

dimana,

t = efisiensi total

r = efisiensi refleksi = (1 - ||2)

c = efisiensi konduksi

d = efisiensi dielektrik

EFISIENSI RADIASI ANTENA ( R)

Di atas telah dijelaskan mengenai efisiensi antena yang disebabkan oleh loss konduksi

dan loss dielektrik. Efisiensi akibat hal ini dapat juga dinyatakan sebagai

perbandingan daya radiasi terhadap daya input total.

Sulit dihitung, diperoleh secara empiris

Dimana, tahanan ohmik adalah sbb : Sedangkan jika kita bekerja pada

frekuensi tinggi dimana terjadi skin effect ( : skin depth = ) pada konduktor

bahan antena, maka tahanan ohmiknya menjadi sbb :

BANDWIDTH (B)

Bandwidth sebuah antena adalah daerah/range frekuensi dimana performansi antena,

yang bergantung pada beberapa karakteristik, berada pada standar tertentu. Biasanya,

bandwidth antena dibatasi oleh SWR 1,5 atau 1,3. Untuk antena broadband,

bandwidth biasanya dinyatakan dalam perbandingan frekuensi atas terhadap frekuensi

bawah, contoh bandwidth 10:1 mengindikasikan bahwa frekuensi atas 10 kali lebih

tinggi dari frekuensi bawah. Sedangkan untuk antena narrowband, bandwidth

dinyatakan dalam persentase dari perbedaan frekuensi (atas dikurangi bawah) yang

melewati frekuensi tengah bandwidth, contoh: bandwidth 5% mengindikasikan bahwa

perbedaan frekuensi adalah 5% dari frekuensi tengah bandwidth.

POLARISASI

Polarisasi antena pada arah tertentu didefinisikan sebagai polarisasi gelombang

teradiasi dimana antena dicatu, atau polarisasi gelombang datang dari arah tertentu

yang menghasilkan daya maksimum pada terminal antena. Biasanya arah yang

dimaksud adalah arah gain maksimum.

Polarisasi gelombang teradiasi adalah karakteristik gelombang elektromagnetik

teradiasi yang menggambarkan arah fungsi waktu dan magnitude relatif dari vektor

medan listrik yang diamati sepanjang arah propagasi.

Polarisasi dikelompokkan menjadi polarisasi eliptik, sirkular, dan linier.

Medan sesaat gelombang datar yang merambat di arah z negatif, dapat ditulis sbb:

;

Komponen sesaatnya sbb:

dan

Dimana Ex dan Ey adalah magnitude maksimum komponen x dan y.

Polarisasi Linier

Untuk gelombang agar polarisasinya linier, beda fasa antara dua komponen harus :

dengan n = 0, 1, 2, …

Polarisasi Sirkular

Polarisasi sirkular dapat dicapai hanya bila magnitude 2 komponen sama dan beda

fasanya adalah kelipatan ganjil dari /2. Sehingga,

dan

Polarisasi Eliptik

Polarisasi eliptik dapat diperoleh hanya jika beda fasa antara dua komponen

adalah kelipatan ganjil dari /2 dan magnitude-nya tidak sama atau jika beda

fasanya tidak sama dengan kelipatan /2, sehingga

dan

dan

Perbandingan antara sumbu minor dan sumbu major disebut sebagai axial ratio (AR),

dan sama dengan:

POLARIZATION LOSS FACTOR (PLF)

Polarisasi antena penerima tidak akan sama dengan polarisasi gelombang datang. Hal

ini disebut ketidaksesuaian polarisasi (polarization mismatch).

Jika polarisasi medan membuat sudutsebesar dengan polarisasi antena, maka

daya terima akan mengalami penurunan yang dinyatakan dengan PLF (Polarization

Loss Factor)

dimana,

vektor medan listrik

orientasi antena

Jika antena mempunyai polarisasi yang sesuai (atched), PLF akan sama dengan 1 dan

antena akan mendapatkan daya maksimum dari gelombang yang datang. Jika

polarisasi gelombang datang ortogonal (tegak lurus) terhadap polarisasi antena maka

tidak ada daya yang diperoleh antena dari gelombang yang datang dan PLF akan sama

dengan nol atau - dB.

IMPEDANSI INPUT (Z A)

Impedansi input adalah impedansi pada terminal antena atau rasio tegangan terhadap

arus pada terminal atau perbandingan komponen-komponen bersesuaian dari medan

elektrik terhadap medan magnetik pada sebuah titik.

Dimana, ZA adalah impedansi antena, RA = resistansi antena, XA = reaktansi

antena, Rr = resistansi radiasi (tahanan pancar) dan RL = tahanan ohmik

ANTENA SEBAGAI SEBUAH APERTUR

Konsep apertur muncul dengan menganggap bahwa antena sebagai penerima. Antena

kita anggap sebagai sebuah permukaan bidang yang menerima rapat daya dari

gelombang datang. Total daya yang diserap oleh antena dengan luas permukaan A,

dan gelombang datang mempunyai rapat daya uniform P adalah :

jadi

Apertur Efektif (Ae)

Apertur efektif adalah

perbandingan daya yang dikirim

ke beban terhadap rapat daya gelombang datang.

Pada kondisi transfer daya maksimum (match kompleks konjugat), Rr + RL =

RT dan XA = - XT, maka apertur efektif menjadi apertur efektif maksimum.

Effectiveness Ratio ( ) , sering juga disebut sebagai efisiensi antena :

dengan

Besarnya apertur efektif tidak harus sama dengan apertur fisik antena, bahkan dalam

beberapa kasus, seperti dipole tipis, apertur efektif lebih besar dari apertur fisiknya.

Daya yang termanfaatkan / sampai pada pesawat penerima akan kurang dari WT, jika

saluran transmisi memberikan redaman, contoh antena batang pendek biasa memiliki

tinggi efektif 70 % dari tinggi sebenarnya.

Apertur Hambur (As)

Apertur hambur berkaitan dengan daya yang diradiasi ulang (daya yang dihamburkan)

didefinisikan sebagai perbandingan daya yang diradiasi ulang terhadap rapat daya

gelombang jatuh.

Pada kondisi :

Antena matched (RT = Rr, RL = 0, dan XA = -XT)

Antena resonan hubung singkat (RT =RL= 0, dan XA = -XT)

Antena open circuit (ZT = )

SCATTERING RATIO, perbandingan hambur :

dengan

Apertur Loss

Jika RL tidak nol, sebagian daya akan didisipasi sebagai panas di antena.

Apertur Pengumpul

Apertur ini berkaitan dengan daya yang dikumpulkan oleh antena dari

gelombang datang, yaitu: daya yang diberikan ke terminal, daya yang diradiasikan

kembali, dan daya yang didisipasi sebagai panas.

Apertur Fisik

Apertur ini merupakan ukuran fisik antena, didefinisikan sebagai penampang

fisik antena yang tegak lurus terhadap arah propagasi gelombang jatuh dengan antena

diarahkan pada respon maksimum.

Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, luas apertur fisis ini sangat

menentukan, tetapi untuk beberapa antena tidak ada arti sama sekali.

Contoh : apertur fisik antena horn adalah daerah luas di mulutnya. Apertur fisik

antena paraboloid adalah lingkaran sedangkan antena parabolic cylinder mempunyai

apertur fisik berupa empat persegi panjang.

ABSORBTION RATIO : perbandingan antara apertur efektif maksimum dengan

aperture fisis

dengan

Beberapa contoh apertur:

1. Apertur efektif maksimum dipole pendek ( )

dengan dan ; sedangkan

maka:

Terlihat bahwa apertur efektif maksimum untuk antena dipole pendek tidak

bergantung pada panjangnya.

2. Apertur efektif maksimum dipole /2

Distribusi arus dalam antena dipole /2 :

sehingga ; Rr = 73 Ohm sehingga :

Dalam hal ini Aem >> Ap, atau besar. Jika antena dibuat sangat tipis, maka Ap

sangat kecil tetap Aem tetap .

Hubungan Apertur Dengan Direktivitas

Hubungan apertur dengan direktivitas adalah berbanding lurus, dinyatakan :

Jika tidak MATCHED sempurna,

sehingga

effectiveness ratio

Jika antenna 1 isotropis, D = 1 ,maka :

sehingga

Rumus di atas cukup penting untuk menghitung direktivitas antena jika aperturnya

diketahui !!

RUMUS TRANSMISI FRIIS

Tujuan : Menghitung transfer daya dari Tx ke Rx

Asumsi / syarat :

Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ;

dengan D = dimensi terbesar dari antena

Medium tidak meredam

Tak ada multipath dari refleksi

antena pengirim adalah isotropis

Rapat daya pada penerima Rx, ( PR ) :

Daya yang diperoleh di antena penerima yang dikirim ke

beban adalah: ; karena

dengan asumsi efisiensi () 100% (D = G), maka akan diperoleh:

Persamaan di atas disebut sebagai persamaan Transmisi Friis, menggambarkan

hubungan daya terima dengan daya kirim.

Komponen pada persamaan diatas disebut sebagai Free Space Loss, yaitu loss

akibat penyebaran energi elektromagnetik (daya) oleh antena, dan bukan disebabkan

adanya penyerapan daya. Bila dinyatakan dalam dB sbb:

atau

TEMPERATUR NOISE ANTENA

Setiap benda dengan temperatur fisik diatas nol absolut (0 K = 273o C) akan

meradiasikan energi. Jumlah energi yang diradiasikan biasanya dinyatakan oleh

sebuah temperatur ekivalen TB. Temperatur TB ini diemisikan oleh sumber dan

diterima oleh antena yang kemudian muncul di terminal antena sebagai temperatur

antena, TA.

Temperatur antena, TA, didefinisikan sebagai temperatur noise efektif tahanan

radiasi antena. Daya noise yang ditransfer ke penerima adalah:

Dimana, N = Daya noise antena (W), k = konstanta Boltzman (1,38 x 10 -23 J/K) , TA =

temperatur antena (K) dan B = bandwidth (Hz).