besaran penting pada antena
Post on 04-Jan-2016
107 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
MODUL PERKULIAHAN
Antena dan Propagasi
Besaran Penting Pada Antena
Fakultas Program Studi Tatap Muka Kode MK Disusun Oleh
Teknik Teknik Elektro
02 MK14004 Dian Widi Astuti, ST. MT
Abstract Kompetensi
Modul ini menjelaskan besaran-besaran karakteristik dalam antena
Setelah membaca modul ini,
mahasiswa diharapkan mampu
untuk:
Memahami dan mengerti
besaran-besaran karakteristik
dalam antena.
Membedakan besaran yang satu
dengan besaran yang lain.
Menjelaskan makna suatu
besaran tertentu dari antena.
2012 2 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Besaran Penting pada Antena
Dalam melakukan penilaian pada sebuah antena digunakan besaran-besaran penilai. Yang
dengean bantuan besaran-besaran penting ini, kita dapat menentukan apakah suatu antena
cocok dipakai pada aplikasi yang kita dalami.
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)
Adapun besaran yang penting dalam antenna adalah sebagai berikut:
• Diagram radiasi : sebagai besaran yang menentukan ke arah sudut mana sebuah
antena memancarkan energinya.
• Direktivitas D: besaran yang menyatakan perbandingan antara kerapatan daya
maksimal dengan kerapatan rata-rata
• Gain G: direktivitas dikurangi dengan kerugian pada antena. Pada antena yang tak
memiliki kerugian, G = D.
• Polarisasi: menyatakan arah dan orientasi dari medan listrik dalam perambatannya
dari antena pemancar.
• Impedansi: impedansi masukan antena dilihat dari rangkaian elektronika, penting
untuk menghindari mismatching.
• Bandwidth: lebar pita frekuensi, di interval ini performance antena masih dianggap
baik.
2.1 Diagram radiasi
Diagram radiasi adalah besaran yang paling penting pada antena. 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 dan 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.
2012 3 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Sebagai contoh yang sederhana adalah antena dipol yang diletakkan di sumbu asal dari sistem
koordinat. Antena ini mempunyai diagram pancar secara tiga dimensi seperti yang terlihat
pada Gambar 2.1. Sebuah bentuk konsentrasi energi yang seperti bentuk donat.
Jika kita amati karakteristik radiasi dari antena ini pada bidang horizontal (bidang H/ H
plane), maka kita akan memotong donat ini dengan bidang xy, dan bidang yang terpotong
berbentuk lingkaran seperti yang terlihat pada Gambar 2.1b. Dalam kordinat polar, artinya
jika kita bergerak pada bidang horisontal pada jarak yang konstan, maka kita akan
mendapatkan energi yang sama, ke sudut manapun kita bergerak.
Tetapi jika amati pada bidang vertikal (bidang E/ E plane), kita potong donat tersebut
misalnya dengan bidang yz, maka akan kita dapatkan bentuk seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 2.1a di bawah ini. Dalam kordinat polar berarti, pada sudut ϑ = 0o tak ada pancaran,
dan dengan membesarnya ϑ akan membesar pula kontribusi pancaran ke arah sudut itu,
sampai mencapai maksimalnya pada ϑ = 90o, kemudian mengecil, dan kembali nol pada ϑ =
180o.
Gambar 2.1: Diagram radiasi tiga dimensi dari antena dipole : a) bidang
horizontal b) bidang vertikal
Di samping penggambaran secara polar, ada pula penggambaran secara kartesian. Gambar 2.2
menunjukkkan diagram radiasi dari sebuah antena secara kartesian, dengan sumbu
horisontalnya merupakan sudut, misalnya . Didefinisika di sini, = 0 adalah arah pancaran
utama, dan di Gambar 2.2 bisa dilihat diagram radiasinya memiliki nilai maksimum. Menjauh
dari arah radiasi utama, pancaran antena mengecil secara monoton, sehingga sampai pada
suatu besar tertentu pancaran energi ini bisa dianggap tak lagi memberikan konstribusi. Di
2012 4 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
dalam fisika dan teknik didefinisikan suatu batasan, jika daya mengecil sampai ke 50% dari
daya maksimalnya (atau 70,7% dari intensitas listrik/magnetnya), maka kita mendapatkan
batas untuk wilayah dominan tersebut. Dan wilayah dominan tersebut mempunyai lebar
pancar yang dibatasi oleh kedua sudut batas pada daya 50%. Interval ini disebut juga half-
power beam width (hpbw).
Makin menjauh dari radiasi utama (main lobe) pancaran antena makin mengecil, dan sampai
pada garis nol, yang artinya ke arah sudut tersebut tak ada pancaran energi sama sekali. Sudut
interval yang dibatasi oleh level nol ke nol ini disebut juga first null beamwidth (fnbw).
Dan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2, pancaran energi, dengan makin
membesarnya sudut, setelah mencapai minimum (yaitu level nol), bisa kembalimembesar dan
mencapai suatu (lokal) maksimum, maksimum ini disebut juga radiasi samping (side lobe)
Pada banyak sekali aplikasi antena, tinggi dari side lobe ini tidak boleh terlalu besar, sehingga
harus ada perbandingan minimal tertentu antara intensitas pada main lobe dengan intensitas
pada side lobe yang tak boleh terlewati. Pada sudut tepat bertolak belakang pada sudut arah
pancaran utama/main lobe kita dapatkan arah yang dinamakan arah pancaran belakang
(back lobe).
Gambar 2.2: Diagram radiasi antena direksional (direktif).
2012 5 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
2.2 Direktivitas dan Gain
Karakteristik pancar antena didefinisikan pada medan jauh (far-field), yang mana pada
kondisi medan jauh ini, pada suatu radius tertentu, kita akan mendapatkan medan listrik yang
merupakan fungsi dari sudut dan ,
,E
dan medan magnet yang juga merupakan fungsi dari kedua sudut tersebut,
,H
kedua saling terkait, satu dengan lainnya sesuai dengan
,1
,0
EZ
H
0Z adalah impedansi gelombang ruang bebas, dengan 000 Z . Secara nilai medan
magnet proporsional dengan medan listrik, tetapi secara vektor akan dilihat secara
lengkapnya di modul 3.
Di modul 3 juga akan diturunkan besaran lain yaitu vektor Poynting (kerapatan daya), yang
secara singkatnya di sini dituliskan dengan
raEZ
S ,2
1, 2
0
Vektor Poynting menggambarkan aliran daya, yang pada rumus di atas mempunyai arah
radial keluar dari antena.
Antena isotrop mempunyai intensitas pancar yang sama merata ke semua arah, jadi dengan
0, EE konstan
Gambar 2.3: Pancaran energi pada antena isotrop.
2012 6 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Dengan mengintegrasikan kerapatan daya terhadap permukaan bola didapat daya total yang
dipancarkan
AA
daEZ
adSP ,2
1, 2
0
Jika 0, EE konstan, dan ddrda sin2
22
0
0
2
0 0
22
0
0
42
1sin
2
1rE
ZddrE
ZP
r dipilih bebas, tetapi pengamatan harus berada di far-field dari antena, atau r >> . Jika P
diberikan, kita bisa menghitung 0E di setiap jarak titik pengamatan dari anten
r
PZE
1
2
0
0
Antena direksional mengkonsentrasikan energi ke suatu arah tertentu. Jika dipergunakan
daya yang sama seperti pada antena isotrop, maka akan didapati perbandingan berikut,
Gambar 2.4: Perbandingan distribusi medan listrik pada antena isotrop dan
direksional
Pada arah-arah tertentu, antena direksional mengirimkan intensitas yang jauh lebih besar
dibandingkan yang dikirim oleh antena isotrop, dan Pada arah yang lain intensitasnya jauh
lebih kecil dibandingkan oleh antena isotrop. Jadi antena direksional mampu untuk
mengubah-ubah distribusi dari energi yang dikirimkan antena.
Besaran yang dipergunakan untuk mengkarakteristikan antena direksional adalah fungsi
direktivitas yang didefinisikan dengan
2012 7 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
P
rEZ
D
22
0
4,2
1
,
atau
2
022
0
0
22
0 ,
42
1
4,2
1
,
E
E
rEZ
rEZ
D
Karakteristik antena direksional yang menggambarkan seberapa besar energi
dikonsentrasikan pada arah tertentu itu dinamakan direktivitas 0D , dengan definisi
max0 ,DD
Dan gain dari antena didefinisikan dengan bantuan efisiensi dari antena ,
00 DG
Intensitas listrik antena direksional bisa dituliskan dengan:
0
2
0
2
,,
,,
EDE
EDE
dan dengan bantuan medan listrik antena isotrop
r
DPZ
E1
,2
, 0
Dengan fungsi gain ,, DG dan dengan ,, 0 gGG , ,g adalah
fungsi gain ter-norm dengan nilai maksimalnya 1. Maka dengan efisiensi = 1:
r
gGPZ
E1
,2
, 0
0
2012 8 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Contoh 1:
Diberikan diagram radiasi dari sebuah antena (Kathrein type 739418) dalam skala logaritma (dB)
Tentukanlah masing-masing untuk bidang E dan bidang H:
a. Half-power beam width (hpbw)
b. First-null beam width (fnbw)
c. Peredaman energi pada pancaran samping ke-satu (first side lobe isolation)
d. Peredaman energi pada pancaran belakang (back lobe isolation)
Jawab:
a. hpbw ditentukan pada saat intensitas medan menjadi 0,707 pada skala linier dan skala
logaritma pada 20 log 0,707 = 3 dB. Dari gambar di bawah kita dapatkan:
E plane: sekitar 10
H plane: sekitar 90
b. fnbw: E plane sekitar 15 dan tidak ada pada H plane
c. Peredaman side lobe pertama pada E plane sekitar 13 dB, dan tidak ada side lobe pada
H plane.
d. Isolasi back lobe pada E plane sekitar 23 dB dan pada H plane sekitar 22 dB.
2012 9 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Contoh 2:
Diberikan intensitas medan listrik dari sebuah antena
r
KZE1
cos2, 0 yang berlaku untuk 0 2 dan .2
0
a. Hitunglah half-power beam width (hpbw) pada bidang E dan bidang H
b. Tentukan first-null beam width (fnbw) di kedua bidang
c. Tentukanlah fungsi direktivitasnya dan direktivitasnya serta gain-nya jika efisiensi
dari antena itu 85%
Jawab:
a. rrr ar
Kar
KZZ
aEZ
S220
0
2
0
1cos
1cos2
1,
2
1,
max,S terjadi pada = 0, dan definisi hpbw adalah max,2
1, SS ,
Pada bidan E (fungsi dari ): terjadi pada saat 5,0cos , atau pada = 60,
sehingga hpbw = 2 60 = 120.
Pada bidang H (fungsi dari ): karena fungsi di atas bukan merupakan fungsi dari ,
maka tidak hpbw untuk bidang H.
b. Pada bidang E: radiasi nol pada saat cos = 0, atau pada = 90, sehingga fnbw = 2
90 = 180.
2012 10 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Pada bidang H: kembali karena fungsi di atas bukan merupakan fungsi dari , maka
tidak hpbw untuk bidang H.
c. Dari definisi fungsi direktivitas:
,,
,
2
0
E
ED
yang mana 0E bisa dihitung dengan r
PZE
1
2
0
0
P adalah daya pancar total:
2
0
2
0
2
2sin
1cos, ddara
rKadSP rr
A
2
0
2
0
2
0
2
0
2cos2
12sin
2
12sincos
KdKddKP
P = K
r
KZ
r
PZE
1
2
1
2
00
0
cos41
2
1cos2
,
2
0
20
r
KZr
KZ
D
4cos4, maxmax0 DD (Direktivitas)
dan gain 2,3485,000 DG
2.3 Polarisasi
Polarisasi dari sebuah antena menginformasikan ke arah mana medan listrik memiliki
orientasi dalam perambatannya.
Ada dua macam polarisasi secara garis besarnya:
1. Polarisasi Linier
Polarisasi linier ini terdiri dari polarisasi vertikal dan polarisasi horisontal. Arah dari
polarisasi ditentukan oleh arah dari medan listrik. Polarisasi linier, artinya dengan
berjalannya waktu arah dari medan listrik tidak berubah, hanya orientasinya saja. Gambar
2.5 menunjukkan sebuah gelombang yang memiliki polarisasi linier yang vertikal. Medan
listrik terletak secara vertikal. Di Gambar 2.5, arah medan listrik selalu menunjuk ke arah
2012 11 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
sumbu x positif atau negatif dan arah medan magnetnya selalu ke sumbu y positif atau
negatif.
Polarisasi linier yang horisontal merupakan kebalikan dari vertikal. Medan listrik terletak
horisontal (arah sumbu y)
Gambar 2.5: Polarisasi linier (ke arah x/vertikal).
2. Polarisasi Eliptis
Berbeda dengan polarisasi linier, pada gelombang yang mempunyai polarisasi eliptis,
dengan berjalannya waktu dan perambatan, medan listrik dari gelombang itu melakukan
putaran dengan ujung panah-panahnya terletak pada sebuah permukaan silinder dengan
penampang elips.
Pada kasus tertentu panjang sumbu utama dari penampang elips tersebut sama, sehingga
berbentuk lingkaran. Gambar 2.6 menunjukkan orientasi dari medan listrik yang
terpolarisasi eliptis.
Gambar 2.6: Polarisasi elips.
2012 12 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
2.4 Impedansi Masukan
Impedansi masukan 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.
Gambar 2.7: Antena sebagai beban dari rangkaian sebelumnya.
Impedansi masukan pentuk 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,
2.5 Lebar Pita Kerja Antena (Bandwidth)
Bandwidth sebuah antena didefinisikan sebagai interval frekuensi, di dalamnya 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.
2.6 Datasheet Antenna
Di bawah ini dilampirkan sebuah datasheet dua buah antena dari perusahan Kathrein.
2012 13 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
2012 14 Antena dan Propagasi Pusat Bahan Ajar dan eLearning
Dian Widi Astuti http://www.mercubuana.ac.id
Daftar Pustaka
[1] Alaydrus, Mudrik (2011), Antena Prinsip dan Aplikasi Yogyakarta : Graha Ilmu
[2] Constantine Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, Wiley, New York,
1989
[3] Kennedy, George; Electronic Communication Systems, McGraw-Hill Co.,
Singapore, 2001.
[4] Roddy, Dennis & Coolen,John; Electronic Communications, Prentice-Hall of India
Ltd, New Delhi, 2001.
top related