antena vertical collinear bab 2
DESCRIPTION
By. Riska Irawan-CKCah Aceh JowoTRANSCRIPT
6
B A B 2
TEORI DASAR
2.1 U M U M
Pada bab ini akan diberikan teori dasar yang melandasi permasalahan dan
penyelesaiannya yang diangkat dalam Tugas Akhir ini. Teori dasar yang diberikan
meliputi: pengertian tentang antena, yang memberikan definisi dan klasifikasi
tentang antena, distribusi arus antena dan pola radiasi antena. Selanjutnya,
diberikan penjelasan tentang pola radiasi dari antena Vertical Collinear dan
penjelasan singkat tentang kabel koaxial serta pengertian tentang wireless-LAN.
Pada bagian lain, diberikan tentang perencanaan dan pembuatan antenna
Vertical Collinear.
2.2 PENGERTIAN ANTENA
Dilihat dari sumber latar belakang sejarah telekomunikasi listrik berupa
komunikasi wireless, berhasil ditemukan pertama kali oleh Heindrich Rudolph
Hertz, beliau berhasil mendemonstrasikan sistem gelombang Elektromagnetik
(EM) pertama kali pada tahun 1886 dengan menggunakan dipole λ/2. Pada tahun
1890 beliau mempublikasikan catatannya tentang elektrodinamika dan melakukan
penyederhanaan persamaan elektromagnetika.
Antena (antenna atau areal) didefinisikan sebagai suatu struktur yang
berfungsi sebagai pelepas energi gelombang elektromagnetik di udara dan juga
bisa sebagai penerima/penangkap energi gelombang elektromagnetik di udara.
Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan udara, maka
antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan saluran pencatunya.
Secara umum, antena dibedakan menjadi antena isotropis, antena
Omnidirectional, antena Directional, antena Phase Array, antena Optimal dan
antena Adaptif . Antena isotropis (isotropic) merupakan sumber titik yang
memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti
permukaan bola. Antena ini tidak ada dalam kenyataan dan hanya digunakan
sebagai dasar untuk merancang dan menganalisa struktur antena yang lebih
6
7
kompleks. Antena Vertical Collinear adalah antena yang memancarkan daya ke
segala arah, dan bentuk pola radiasinya digambarkan seperti bentuk donat
(doughnut) dengan pusat berimpit. Antena ini ada dalam kenyataan, dan dalam
pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena yang lebih
kompleks. Contoh antena ini adalah antena dipole setengah panjang gelombang.
Antena Collinear merupakan antena yang memancarkan daya ke arah
tertentu. Gain antena ini relatif lebih besar dari antena Omnidirectional. Contoh,
suatu antena dengan gain 10 dBi (kadang-kadang dinyatakan dengan “dBic” atau
disingkat “dB” saja). Artinya antena ini pada arah tertentu memancarkan daya 10
dB lebih besar dibanding dengan antena isotropis. Ketiga jenis antena di atas
merupakan antena tunggal, dan bentuk pola radiasinya tidak dapat berubah tanpa
merubah fisik antena atau memutar secara mekanik dari fisik antena.
Selanjutnya adalah antena Phase Array, yang merupakan gabungan atau
konfigurasi array dari beberapa antana sederhana dan menggabungkan sinyal yang
menginduksi masing-masing antena tersebut untuk membentuk pola radiasi
tertentu pada keluaran array. Setiap antena yang menyusun konfigurasi array
disebut dengan elemen array. Arah gain maksimum dari antena phase array dapat
ditentukan dengan pengaturan fase antar elemen-elemen array.
Antena optimal merupakan suatu antena dimana penguatan (gain) dan fase
relatif setiap elemennya diatur sedemikian rupa untuk mendapatkan kinerja
(performance) pada keluaran yang seoptimal mungkin. Kinerja yang dimaksud
kinerja antara lain signal to interference ratio, SIR atau signal to interference plus
noise ratio, SINR. Optimasi kinerja dapat dilakukan dengan menghilangkan atau
meminimalkan penerimaan sinyal-sinyal tak dikehendaki (interferensi) dan
mengoptimalkan penerimaan sinyal yang dikehendaki.
Antena adaptif merupakan pengembangan dari antena antena phase array
maupun antena optimal, dimana arah gain maksimum dapat diatur sesuai dengan
gerakan dinamis (dinamic fashion) obyek yang dituju. Antena dilengkapi dengan
Digital Signal Proccessor (DSP), sehingga secara dinamis mampu mendeteksi
dan melecak berbagai macam tipe sinyal, meminimalkan interferensi serta
memaksimalkan penerimaan sinyal yang diinginkan.
8
2.3 DISTRIBUSI ARUS ANTENA
Distibusi Arus sebenarnya suatu antena tipis mendekati sinusoidal. Hal ini
berlaku untuk antena yang memiliki panjang beberapa kali panjang gelombang.
Gambar 2.1: Distribusi Arus antena dipole dikalikan ½ λ [13]
2.4 POLA RADIASI ANTENA
Pola radiasi (radiation pattern) merupakan salah satu parameter penting dari
suatu antena. Parameter ini sering dijumpai dalam spesifikasi suatu antena,
sehingga pembaca dapat membayangkan bentuk pancaran yang dihasilkan oleh
antena tersebut.
Dalam hal ini, maka pola radiasi disebut juga pernyataan secara grafis yang
menggambarkan sifat radiasi dari antena (pada medan jauh) sebagai fungsi dari
arah dan penggambarannya dapat dilihat pada diagram pola radiasi yang sudah
diplot sesuai dengan hasil pengukuran sinyal radiasi dari suatu antena.
9
Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila
intensitas radiasi yang digambarkan adalah kuat medannya dan disebut pola daya
(power pattern) apabila intensitas radiasi yang digambarkan adalah vektor
poynting-nya.
Apabila dilihat dari penamaan bidang pola radiasi ada 4 macam, yaitu:
Bidang H ialah bidang magnet dari pola radiasi antena, bidang E ialah medan
listrik dari pola radiasi antena, bidang elevasi ialah pola radiasi yang diamati dari
sudut elevasi dan bidang azimuth ialah pola radiasi yang diamati dari sudut
azimuth. dimana antara bidang H dan bidang E saling tegak lurus dan antara
bidang elevasi dan bidang azimuth juga sama saling tegak lurus.
Gambar 2.3: Ilustrasi bidang pola radiasi
Pada gambar 2.3 di atas memperlihatkan bentuk koordinat pada bidang pola
radiasi, untuk warna hijau ialah bidang azimuth atau bidang H, sedangkan warna
ungu menjelaskan bidang elevasi atau E.
10
Gambar 2.4: Ilustrasi pola radiasi dalam koordinat polar
Pada gambar 2.4 di atas menjelaskan ilustrasi pola radiasi dengan antena
dalam koordinat polat (polar plot), sengaja diambil dari contoh di atas antena yang
digunakan pada gambar tersebut adalah antena Directional berupa antena yagi,
agar nampak lebih jelas pengaruh posisi antena terhadap radiasi yang dipancarkan
oleh antena tersebut.
2.4.1 Pola Radiasi Antena Directional
Antena Directional biasanya digunakan oleh client, dikarenakan antena ini
mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relatif
jauh daripada antena lainnya. Ada beberapa macam antena Directional antara lain:
Yagi, plat panel, parabola, tin can antenna, parabolic reflektor dan lain-lainnya.
Pola radiasi antena ini digambarkan pada gambar 2.5 seperti dibawah ini.
Gambar 2.5: Pola Radiasi Antena Directional
11
Gambar di atas merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang
dihasilkan oleh antena Directional, apabila dalam koordinat polar atau grafik pola
radiasi seperti gambar 2.6 dibawah ini.
Gambar 2.6: Bentuk pola radiasi gelombang antena Directional: (a) Pola radiasi bidang medan magnet (H) (b) Pola radiasi bidang medan listrik (E)
2.4.2 Pola Radiasi Antena Vertical Collinear
Antena Vertical Collinear pada umumnya mempunyai pola radiasi 360
derajat apabila pola radiasinya dilihat pada bidang medan magnet (H). Gain
antena Vertical collinear antara 3 dBi sampai 12 dBi. Antena tersebut
menggunakan sambungan Point-to-Multi-Point (P2MP).
Gambar 2.7: Pola Radiasi Antena Vertical Collinear
12
Gambar di atas merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang
dihasilkan oleh antena Vertical Collinear, apabila dalam koordinat polar atau
grafik pola radiasi seperti gambar 2.8 dibawah ini.
Gambar 2.8: Bentuk pola radiasi gelombang antena Vertical Collinear : (a) Pola radiasi bidang medan magnet (H) (b) Pola radiasi bidang medan listrik (E)
2.5 GAIN ANTENA
Gain antena (Gt) dapat dihitung dengan menggunakan antena lain sebagai
antena yang standard atau sudah memiliki gain yang standard (Gs). Dimana
membandingkan daya yang diterima antara antena standard (Ps) dan antena yang
akan diukur (Pt) dari antena pemancar yang sama dan dengan daya yang sama.
(2.1)
Jika dirubah dalam satuan decibel maka menjadi,
Gt (dB) = Pt (dBm) – Ps (dBm) + Gs (dB) (2.2)
13
2.6 IMPEDANSI INPUT ANTENA
Impedansi Input antena adalah impedansi antena di terminal catu (feeder)-
nya disebabkan perbandingan antara tegangan (V) dan arus (I) di terminal input
atau catu (feeder).
Zin = V/I (2.3)
Dimana:
Zin = Impedansi Input (Ω)
V = Tegangan terminal input (Volt)
I = Arus terminal input (A)
2.7 VSWR
Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah kemampuan suatu antena
untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan
dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut.
Perbandingan level tegangan yang kembali ke pemancar (V-) dan yang
datang menuju beban (V+) ke sumbernya lazim disebut koefisien pantul atau
koefisien refleksi yang dinyatakan dengan simbol “Γ”.
(2.4)
Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik saluran (Zo)
dan impedansi beban/ antena (Zl) dapat ditulis :
(2.5)
Harga koefisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0 (tanpa
pantulan/match) sampai 1, yang berarti sinyal yang datang ke beban seluruhnya
dipantulkan kembali ke sumbernya semula. Maka untuk pengukuran VSWR.
14
(2.6)
Besar nilai VSWR yang ideal adalah 1, yang berarti semua daya yang
diradiasikan antena pemancar diterima oleh antena penerima (match). Semakin
besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan juga semakin besar dan
semakin tidak match.
2.8 KABEL KOAXIAL
Kabel koaxial (coax) merupakan kabel yang biasanya dipakai untuk
menghubungkan suatu perangkat (device) yang berfungsi sebagai
pemancar/penerima gelombang radio dengan antena yang sesuai dengan prealatan
tersebut dalam suatu sistem komunikasi wireless.
Gambar 1.2 : Kabel coaxial tipe CNT 300
Pada gambar 1.2 di atas abjad A,B,C dan D menyatakan :
a. Outer plastic sheath (sarung plastik luar)
b. Copper screen (serabut tembaga)
c. Inner dielectric insulator (bahan dielektrik)
d. Copper core (inti tembaga)
Kabel ini sangat ideal untuk membawa atau menghantarkan sinyal listik
yang berfrekuensi tinggi, misalnya : kabel penghubung antara TV dan antenanya
atau untuk menghubungkan perangkat radio pemancar/penerima gelombang radio
dengan antenanya.
15
Gambar 1.3 : Struktur kabel coaxial
Jalur transmisi kabel coaxial ada 2 bagian konduktor, yaitu inti tembaga
dan serabut tembaga, yang kedua konduktor tersebut dipisahkan oleh bahan
insulator (solid dielektric). Pada gambar 1.3 menggambarkan bagian-bagian kabel
coaxial, menunjukkan bahwa warna merah adalah bahan konduktor, warna putih
adalah bahan insulator dan warna abu-abu adalah lapisan paling luar kabel (outer
jacket).
Kabel coaxial terdiri dari beberapa macam tipe dan tiap-tiap tipenya
memiliki laporan data atau nama lainnya datasheet tersendiri, layaknya seperti
komponen elektronika. Datasheet sebuah kabel coaxial meliputi : impedansi,
diameter kabel, velocity factor dan lain-lainnya seperti terlihat pada table 1.1 :
Tabel 1.1 Data Sheet Kabel Coaxial RG-58U
Tipe Coaxial Impedansi Diameter Felocity Factor
CNT - 300 50 Ω 5,0 mm 0,66
Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable Maret 2009
Velocity factor di sini merupakan karakteristik kecepatan sinyal listik atau
gelombang radio dan secara teknik dapat dikatakan juga sebagai faktor pengali
dari panjang gelombang radio yang dibawa oleh kabel tersebut. Lebih jelasnya
nampak pada persamaan 1.1 berikut :
KONDUKTORINSULATOR
16
………………………………………………… (1.1)
Maka persamaan panjang gelombang terhadap velocity factor kabel
coaxial menjadi seperti ditunjukkan pada persamaan 1.2 :
……………………………………………………… (1.2)
dimana :
λ = panjang gelombang
v = velocity factor
c = kecepatan rambat cahaya (3x108)
f = frekuensi
2.9 PENGERTIAN WIRELESS-LAN
Jaringan Wireless-LAN adalah jaringan yang mengkoneksikan dua
komputer atau lebih menggunakan sinyal radio, cocok untuk berbagai file, printer
atau akses internet yang merupakan pengembangan dari jaringan LAN, hanya saja
jaringan LAN masih menggunakan kabel sedangkan jaringan W-LAN tidak
menggunakan kabel tetapi peralatan wireless seperti : Wireless PCI card, USB
Wireless adapter, PCMCIA card, Access Point, dan lain-lainnya.
Bila ingin mengkoneksikan dua komputer atau lebih di lokasi yang sukar
atau tidak mungkin untuk memasang kabel jaringan, sebuah jaringan wireless
(tanpa kabel) mungkin cocok untuk diterapkan. Setiap PC pada jaringan wireless
dilengkapi dengan sebuah radio tranceiver, atau biasanya disebut adapter atau
kartu W-LAN, yang akan mengirim dan menerima sinyal radio dari dan ke PC
lain dalam suatu jaringan. akan mendapatkan banyak adapter dengan konfigurasi
internal dan eksternal, baik untuk PC desktop maupun notebook.
Mirip dengan jaringan Ethernet kabel, sebuah W-LAN mengirim data
dalam bentuk paket. Setiap adapter memiliki nomor ID yang permanen dan unik
yang berfungsi sebagai sebuah alamat, dan tiap paket selain berisi data juga
17
menyertakan alamat penerima dan pengirim paket tersebut. Sama dengan sebuah
adapter Ethernet, sebuah kartu W-LAN akan memeriksa kondisi jaringan sebelum
mengirim paket ke dalamnya. Bila jaringan dalam keadaan kosong, maka paket
langsung dikirimkan. Bila kartu mendeteksi adanya data lain yang sedang
menggunakan frekuensi radio, maka ia akan menunggu sesaat kemudian
memeriksanya kembali.
W-LAN biasanya menggunakan salah satu dari dua topologi untuk
mengatur sebuah jaringan. Pada topologi ad-hoc biasa dikenal sebagai jaringan
peer-to-peer setiap PC dilengkapi dengan sebuah adapter W-LAN yang mengirim
dan menerima data ke dan dari PC lain yang dilengkapi dengan adapter yang
sama, dalam radius 300 kaki (±100 meter). Untuk topologi infrastruktur, tiap PC
mengirim dan menerima data dari sebuah titik akses, yang dipasang di dinding
atau langit-langit berupa sebuah kotak kecil berantena yang biasa di sebut juga
Access Point (AP). Saat titik akses menerima data, ia akan mengirimkan kembali
sinyal radio tersebut (dengan jangkauan yang lebih jauh) ke PC yang berada di
area cakupannya, atau dapat mentransfer data melalui jaringan Ethernet kabel.
Titik akses pada sebuah jaringan infrastruktur memiliki area cakupan yang lebih
besar, tetapi membutuhkan alat dengan harga yang lebih mahal.
Walau menggunakan prinsip kerja yang sama, kecepatan mengirim data
dan frekuensi yang digunakan oleh W-LAN berbeda berdasarkan jenis atau
produk yang dibuat, tergantung pada standar yang mereka gunakan. Vendor-
vendor wireless-LAN biasanya menggunakan beberapa standar, termasuk IEEE
802.11, IEEE 802.11b/g, OpenAir, dan HomeRF. Sayangnya, standar-standar
tersebut tidak saling kompatibel satu sama lain, dan harus menggunakan
jenis/produk yang sama untuk dapat membangun sebuah jaringan, dikarenakan
oleh frekuensi dari beberapa standar tersebut tidak sama.
Semua standar tersebut menggunakan adapter menggunakan segmen kecil
pada frekuensi radio 2,4 GHz, sehingga bandwith radio untuk mengirim data
menjadi kecil. Tetapi adapter tersebut menggunakan dua protokol untuk
meningkatkan efisiensi dan keamanan dalam pengiriman sinyal :
18
1. Frequency hopping spread spectrum, dimana paket data dipecah dan
dikirimkan menggunakan frekuensi yang berbeda-beda, satu pecahan
bersisian dengan lainnya, sehingga seluruh data dikirim dan diterima oleh
PC yang dituju. Kecepatan sinyal frekuensi ini sangat tinggi, serta dengan
pemecahan paket data maka sistem ini memberikan keamanan yang
dibutuhkan dalam satu jaringan, karena kebanyakan radio tranceiver biasa
tidak dapat mengikutinya.
2. Direct sequence spread spectrum, sebuah metode dimana sebuah
frekuensi radio dibagi menjadi tiga bagian yang sama, dan menyebarkan
seluruh paket melalui salah satu bagian frekuensi ini. Adapter direct
sequence akan mengenkripsi dan mendekripsi data yang keluar-masuk,
sehingga orang yang tidak memiliki otoritas hanya akan mendengar suara
desisan saja bila mereka menangkap sinyal radio tersebut.
Vendor W-LAN biasanya menyebutkan transfer rate maksimum pada
adapter buatan mereka. Model yang menggunakan standar 802.11 dapat
mentransfer data hingga 2 megabit per-detik, baik dengan metode frequency
hopping atau direct sequence. Adapter yang menggunakan standar OpenAir dapat
mentransfer data hingga 1,6-mbps menggunakan frequency hopping. Dan standar
terbaru, HomeRF dapat mengirim dan menerima data dengan kecepatan 1,6-mbps
(dengan menggunakan metode frequency hopping). W-LAN kecepatan tinggi
menggunakan standar 802.11b yang dikenal sebagai WiFi mampu mengirim data
hingga 11 mbps dengan protokol direct sequence, sedangkan standar 802.11g
mampu mengirim data hingga 54 mps [9].
Sebelum lebih lanjut membahas disain Wireless Metropolitan Area
Network (MAN) ada baiknya kita selami cara menghitung margin daya untuk
operasional radio. Salah satu kunci utama untuk melakukan perhitungan adalah
mengerti konsep besaran dB sebagai besaran perbandingan daya. Rumus yang
biasa digunakan untuk konversi dB dengan Watt atau mW, adalah:
19
Konversi satuan sinyal Watt (W) ke dalam unit dBm :
dBm = ( 10 Log(Power Watts)) + 30 (2.11)
Konversi unit dBm ke dalam satuan Watt (W):
(2.12)
Sehingga apabila satuan Watt diubah menjadi miliWatts (mW):
(2.13)
Untuk memberikan gambaran daya pancar 15 dBm adalah 30 mW, daya
pancar 20 dBm adalah 100 mW.
Cara sederhana untuk membatasi ruang lingkup aplikasi W-LAN adalah
dengan membatasi daya pancar. Secara hukum daya pancar sinyal di Antena yang
di ijinkan adalah 36 dBmW, artinya jika menggunakan antena parabola 24 dBi
hanya boleh menggunakan peralatan W-LAN dengan daya sekitar 15 dBm
(sekitar 30 mW saja). Umumnya peralatan W-LAN yang ada di pasaran
mempunyai daya pancar antara 15-20 dBm (30-100 mW).
Radiasi pancaran di antena biasanya di ukur dengan Effective Isotropic
Radiated Power (EIRP) yang di ukur dalam dBm. Pada kesepakatan yang ada,
rekan-rekan IndoWLI tampaknya cenderung untuk sepakat EIRP yang diijinkan
adalah 36 dBm. EIRP yang merupakan daya yang di radiasikan di ujung antena,
dapat dihitung dari:
EIRP (dBm) = TX Power – TX Cable Loss + TX Antenna Gain (2.14)
Dengan di batasinya EIRP sebesar 36dBm, dan rata-rata loss di kabel coax
& konektor sebesar 5 dB. Maka jika menggunakan antena parabola 21 dBi, daya
pancar yang dapat digunakan hanya 20 dBm (100 mW). Artinya, penggunaan
power amplifier menjadi sangat di haramkan, bisa-bisa anda terkena denda Rp.
600 juta dan atau penjara 6 tahun sesuai pasal 55 UU36/1999.
Dengan keterbatasan EIRP hanya 30-36 dBm, kita mempunyai jarak
jangkau yang sangat terbatas. Jarak transmisi maksimum dan memberikan 10-15
dB margin untuk mengatasi fading akan sangat tergantung pada jenis antena yang
20
digunakan pada AP (Access Point) jika antena Vertical Collinear dengan gain 10-
12 dBi digunakan, kita menggunakan antena sectoral dengan gain 12-14 dBi pada
AP, kita melihat jarak jangkau 6-8 km.
Terdapat dua macam sambungan antara gedung-ke-gedung. Yang pertama
disebut Point-to-point (P2P) dan yang kedua adalah Point-to-Multi-Point (P2MP).
Di Indonesia, kita mengadopsi batasan EIRP yang berbeda antara bagian
sambungan Point-to-Point (P2P) dan sambungan Point-to-Multi-Point (P2MP)
menjadi 36 dBm dan 30 dBm.
Gambar 2.12: Jaringan wireless P2P antar gedung
Pada sambungan P2P hanya untuk koneksi antar dua gedung saja dan tidak
bisa mengkoneksikan antar beberapa gedung, dengan memanfaatkan antena
Omnidirectional dan memposisikan antena tersebut pada tengah-tengah sebagai
sentral di sekitar gedung maka sambungan P2P dapat menjadi P2MP yang
memungkinkan terkoneksinya antar beberapa gedung atau loebih dari dua gedung.
21
Gambar 2.13: Jaringan wireless P2MP antar gedung