BAB1

Fundamental Antenna Parameter

Parameter Antena adalah suatu ukuran unjuk kerja dari suatu Antena dikaitkan

dengan Distribusi Energi yang dipancarkan diruang bebas, Efisiensi Daya, Matching pada

titik suap Antena dan sebagainya.

1. Radiation pattern

Pola Radiasi dari suatu Antena diukur pada daerah medan Jauhnya dimana

distribusi medan dalam darah tersebut ber-arah radial saja. Pola radiasi umumnya bukan

fungsi dari jarak akan tetapi merupakan fungsi dari sudut tinjau antena

Gambaran dari distribusi Daya yang dipancarkan oleh Antena sebagai fungsi ruang

dalam radius yang sama disebut sebagai Pola Daya. Sedangkan gambaran distribusi

medan Listrik dan Magnetik untuk radius yang sama disekitar antena disebut sebagai Pola

Amplitudo Medan. Umumnya Pola daya dinormalkan dengan Daya Maksimum (sehingga

nilai terbesarnya adalah 1) dan diplot pada koordinat logaritmis (dB)

Pola Intensitas Daya maupun medan umumnya digambarkan dalam bentuk 3

dimensi maupun 2 dimensi sebagaimana Gambar 1 dan Gambar 2. berikut ini:

Gambar 1. Pola radiasi dari sebuah antena dalam bentuk 3 dimensi

Gambar 2. Gambaran Pola Radiasi secara 2 Dimensi

Berikut ini beberapa konsep yang berkaitan dengan terminologi pola:

a. Pola Isotropic adalah pola dari radiai antena yang mempunyai nilai sama disegala arah

sehingga pola ini benar-benar berbentuk bola. Pola ini adalah pola teoritik yang tidak

dapat ditemui secara praktis.

b. Directional antenna adalah antena yang mempunyai efisiensi tinggi pada arah tertenu

saja.

c. Omnidirectional antenna adalah antena yang mempunyai radiasi yang sama untuk

arah elevasi (mendatar) dan mempunyai arah tertentu untuk arah azimut (arah tinggi)

perhatikan Gambar 3.

Gambar 3. Pola Intensitas Omnidirectional

d. Pattern lobe adalah gambaran 3 dimensi dari gelembung intensitas daya dimana

terdapat daerah dengan intensitas daya tinggi dan derah yang lain mempunyai tingkat

daya yang relatif lebih rendah.

Gambar 4. Pola Gelembung

2. INTENSITAS RADIASI

Intensitas Radiasi untuk suatu arah adalah Daya per unit sudut padat yang

dipancarkan oleh suatu Antena

a. Sudut Padat

1 steradian (st) adalah sudut padat yang mempunyai pojok pada pusat lingkaran

berjarijari r sedemikian rupa sehingga sudut tersebut menghasilkan luasan pada

permukaan bola dengan sisi-sisi luasan sebesar r.

Gambar 5. Gambaran 1 Steradian

untuk luasan tertutup 1 steradian akan mempunyai sudut padat sebesar (4π) steradians.

Untuk sudut-sudut padat yang kecil, maka dapat dituliskan sebagai:

dan luasan yang dihasilkan adalah sebesar:

b. Intensitas Radiasi (U)

dalam bentuk lain yang berguna dapat pula dinyatakan sebagai:

dengan adalah daya yang dipancarkan oleh antena dalam Watt.

Pada dasarnya terdapat hubungan yang erat antara U dengan Pointing vektor (P-

pointing adalah penunjuk arah aliran energi yang dipancarkan oleh Antena), yaitu:

Dari persamaaan diatas terlihat bahwa Intensitas Radiasi adalah fungsi sudut acu (,) dan

bukan merupakan fungsi jarak pengamatan. Umumnya nilai U tersebut dinyatakan dalam

bentuk ternormalisirnya, yaitu telah dibagi dengan nilai maksimumnya. Dengan nilai

ternormalisir ini maka nilai U tidak akan lebih dari nilai 1.

Untuk daerah medan jauh, komponen-komponen medan dalam arah radial (arah r

dalam koordinat bola) akan hilang dan medan yang ada akan berarah maupun

Dengan adanya arah medan seperti ini maka nilai medan E maun H dapat dinyatakan

sebagai berikut:

s ind d d W =

2 s inds r d d =

, /d

U W sd

=

W

,rad U d W = WòòÒ

2 .U r P=

dan pointing vektor yang dihasilkan akan selalu berarah radial (sejajar dengan arah

penjalaran Energi – berarah keluar menembus permukaan bola) dan mempunyai besaran

sebagai berikut:

Dan Intensitas radiasi dalam daerah itu dapat dinyatakan sebagai berikut:

2. DIRECTIVITY

Directivity dalam suatu arah tertentu adalah ratio antara Intensitas dalam arah

tersebut dengan intensitas rata-rata dalam arah keseluruhan. Intensitas Radiasi rata-aa

dapat dinyatakan dengan total daya yang dipancarkan dibagi dengan 4π . Jika arah tidak

disebutkan, maka arah dipilih pada daerah dengan intensitas terbesar.

Dan

Partial directivity dari sebuah antena dikhusukan bagi peninjauan antena dari segi

polarisasinya. Didefinisikan sebagai sejumlah intensitas radiasi dari antena yang berkaitan

dengan polarisasi dibagi dengan total intensitas radiasi disemua arah.

Nilai total directivity ini merupakan penjumlahan dari Directivity arah Elevasi dan arah

Azimut yang dituliskan sebagai:

dimana:

Apabila Directivity (D) dinyatakan dalam Intensitas Radiasi ternormalisir, maka D tersebut

dapat dinyatakan sebagai:

3. BEAM SOLID ANGLE

BEAM SOLID ANGLE dari sebuah antena adalah sudut padat dari suatu antena dimana

daya dari antena dialirkan. Secara maematis nilai BEAM SOLID ANGLE ini dapa ituliskan

sebagai:

Dan hubungan antara Directivity Maksimum dengan BEAM ini dapat dituliskan sebagai:

3. ANTENA GAIN

Adalah perbandingan antara Intensitas Radiasi yang dipancarkan pada suatu arah

dengan Intensitas radiasi yang dihasilkan apabila antena dipicu dengan sumber daya

dengan pola radiasi Isotropic

Gain tidak mempunyai dimensi dan mempunyai bentuk yang mirip dengan Directivity.

Perbedaanya adalah Gain memasukkan unsur daya yang disuapkan pada antena

sedangakan Directivity hanya menghitung daya yang dipancarkan saja. Banyak faktor

yang mempengaruhi transfer daya dari sumber ke udara bebas. Faktor-faktor tersebut

adalah:

a. Rugi-rugi Matching

b. Rugi-rugi saluran transmisi

c. Rugi-rugi antena seperti loss dielektrik, loss tembaga, polarisasi

Umumnya daya yang diradiasikan oleh antena lebih kecil dari daya yang disuapkan

pada antena tersebut. Untuk standart IEEE, perhitungan Gain tidak memperbolehkan rugi-

rugi karena Matching dan Polarisasi, sehingga yang muncul dalam perhitungan adalah

rugi-rugi karena dielektrik dan konduksi diri dari antena saja.

4. EFISIENSI BEAM

Adalah ratio antara daya yang dipancarkan melalui sudut padat selebar 2 dengan

Total Daya yang dipancarkan. Umumnya sudut padat yang dipiliha adlah sudut padat pada

main lobe (sudut ½ daya nya)

5. ANTENA BANDWIDTH

Adalah range frekuensi antena dimana antena masih menunjukkan unjuk kerja

sebagaimana yang direncanakan. Untuk antena-antena yang dikaegorikan sebagai antena

Broadband maka FBW dapat dinyatakan sebagai:

Umumnya nilai tipikal Antena Broadband adalah 40:1. Untuk antena-antena band sempit

umumnya FBW dinyatakan sebagai:

dengan fo= (fmax.fmin)

6. IMPEDANSI INPUT

Impedansi Input antena dapat dituliskan sebagai:

ZA = RA + jX A

dengan

RA adalah resistansi antena

XA adalah reaktansi antena

Umumnya resistansi antena dituliskan sebagai:

dengan

Rr : Tahanan radiasi

Rl : Tahanan Rugi dari antena

Dalam suku daya suatu Impedansi Antena dapat dinyatakan sebagai:

dengan:

Wm : Energi magnetik yang dipancarkan dalam daerah medan dekat

We : Energi Elektrik yang dipancarkan dalam daerah medan dekat

Pr : Daya yang diradiasikan

Pd : Daya yang didisipasikan

Io : Arus yang disuapkan pada antena

7. Resistansi Radiasi

Adalah perbandingan antara daya yang diradiasikan dengan tegangan maupun

arus pada terminal antena. Secara metematis dapat dituliskan sebagai:

A r lR R R= +

8. RANGKAIAN EKIVALEN ANTENA

Rangkaian ekivalen antena dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 6. Rangkaian ekivalen Antena sebagai Antena Pemancar

Dalam model diatas, diasumsikan generator (pemancar) dihubungkan pada sebuah

Antenna secara langsung atau pun kalau antenna tersebut dihubungkan melalui sebuah

kabel, maka kabel dapat dimodelkan sebagai impedansi dari generator yang berhubungan

langsung dengan Antena.

Dengan memperhatikan kembali rangkaian diatas, maka Daya Maksimum yang

dapat disalurkan menuju Antena dapa terjadi apabila terdapat kondisi berikut ini:

dengan teori Rangkaian Listrik maka dapat diturunkan formula sebagai berikut:

a) Daya yang disalurkan menuju Antena:

b) Daya yang didisipasikan sebagai panas dalam generator adalah:

c) Daya yang diradiasikan:

d) Daya yang didisipasikan sebagai panas pada antenna

Pada Antena Penerima akan berlaku sirkuit sebagai berikut:

Gambar 7. Ekivalen Antena sebagai Antena Penerima

Gelombang elektromagnetik yang diterima oleh Antena akan mengakibatkan induksi

tegangan titik suap antenna (dengan asumsi ujung antenna yang berhubungan dengan

kabel di open). Untuk mendapatkan daya maksimum yang dapat disalurkan menuju kabel

dan pesawat penerima, maka diperlukan kondisi matching conjugate antara impedansi

antenna dengan impedani penerima. Kondisi Konjugate tersebut dapat dituliskan sebagai:

Dengan memperhatikan diagram diatas, maka akan didapatkan formula daya pada

penrima antenna sebagai berikut:

a) Daya yang disalurkan menuju Beban

b) Daya yang didisipasikan sebagai panas pada Antena

c) Daya yang dipancarkan kembali (Pantulan- Scatter) adalah:

d) Total Daya yang ditangkap

Ketika kondisi Matching Konjugate tercapai maka setengah daya yang diap (Pc) akan

disalurkan menuju beban dan seperuhnya didisipasikan oleh Antena (Rugi-rugi Antena).

Rugi-rugi antenna yang terjadi adalah rugi-rugi panas dan rugi-rugi Scatter (rugi

pemancaran kembali ke ruang bebas).

Impedansi antenna adalah besaran yang bergantung pada frekuensi kerja dari Antena.

Besaran ini secara praktis dipengaruhi oleh Obyek-obyek yang ada didekatnya.

9. EFISIENSI RADIASI dan RUGI ANTENA

Dalam proses perhitungan rugi-rugi antenna akibat panas, efisiensi radiasi e dimasukkan

sebagai salah satu suku perhitungan. Efisiensi radiasi adalah ratio antara daya yang

diradiasikan dengan total daya yang disuapkan pada terminal antenna. Secara matematis

dapt dituliskan sebagai:

Adapun factor-faktor yang berpengaruh dalam proses perhitungan rugi-rugi karena

konduksi (panas) ini adalah:

a. Resistansi DC

b. Resistansi Frekuensi Tinggi (Rhf)

Pada frekuensi tinggi arus yang mengalir pada batang logam, tidak mengalir pada

keseluruhan penampang logam, akan tetapi hanya pada lapisan tipis pada

permukaan logam. Ketebalan lapisan arus ini umumnya disebut sebagai Skin-depth

dan efek ini disebut sebagai efek kulit.

Tahanan permukaan ini (Rs) secara matematis dapat dituliskan dengan formula berikut ini:

Untuk logam sepanjang l akan berlaku nilai tahanan frekuensi tinggi sebagai berikut:

Disini, nilai =. adalah luasan dari ketebalan kulit sepanjang keliling logam yang

igunakan sebagai batang antenna.

Gambar 8. Ilustrasi lapisan arus pada batang logam

10. AREA TANGKAPAN ANTENA EFEKTIF (APERTURE Ae)

Adalah ratio antara Daya yang didapatkan pada terminal antenna dengan flux rapat daya

dari gelombang yang dating pada antenna, dimana pada saat itu polarisasi antenna match

dengan polarisasi gelombang yang datang.

dimana:

Ae : Area tangkapan efektif, m2

PA : Daya yang disalurkan dari antenna menuju beban, W

Wi : Rapat daya (Pointing vector), W/m2

Dengan memperhatikan kembali rangkaian sebelumnya, maka Ae dapat dinyatakan

sebagai:

dan dalam kondisi match conjugate berlaku:

Yang perlu diperhatikan dalam area tangkapan ini adalah: Area ini bukanlah area fisik dari

antenna, area ini bukan luasan dari logam antenna. Sehingga tidak perlu heran apabila

antenna kawat dipole mempunyai Area efektif (Ae) yang besar dibandingkan dengan

luasan fisiknya.

Contoh:

Antena dipole pendek mempunyai Resistansi radiasi sebesar . Jika panjang

antenna dipole tersebut adalah 0.5 lamda dan diameter kawat adalah 1/300 lambda

bandingkan area fisik dan area tangkapannya

Jawab:

Karena antenna adalah dipole kecil sehingga tidak ada rugi tahanan DC sehingga:

Karena antenna adalah dipole kecil, maka medan Elektrik menginduksikan tegangan

sebesar:

dan Pointing Vektornya (P–lihat pada teori sebelumnya) dapat dinyatakan sebagai

Sehingga:

Sedangakan luas fisik dari kawat dipole adalah:

Jika kedua nilai dibandingkan, maka Ae lebih luas daripada Ap atau dengan kata lain

luasan fisiknya lebih sempit daripada luasan tangkapannya.

11. POLARISASI

Polarisasi adalah perubahan nilai vector (amplitude dan fasa) sebagai fungsi waktu

dari medan Elektro magnetic ditinjau pada suatu titik tertentu. Dengan kata lain polarisasi

dapat digunakan untuk menggambarkan arah dan amplitude dari suatu medan sebagai

fungsi dari waktu. Dalam bentuk grafis terdapat 3 macam polarisasi,yaitu Linier, Circular an

Elliptical.

Gambar 9. Macam Polarisasi

Segala macam bentuk polarisasi yang ada dapat dinyatakan dengan 2 buah

polarisasi linier yang yang saling tegak lurus dimana fasa dari keduanya-lah (L)

yang akan membentuk polarisasi yang lain.

a. Jika (L) = 0 atau n maka akan dihasilkan polarisasi linier

b. Jika (L) = /2 (90o) dan Ex = Ey maka polarisasi Circular akan muncul

c. Jika syarat diatas tidak terpenuhi semua maka akan muncul Elliptical Polarisasi

11.1 POLARISASI sebagai INETRAKSI antara 2 buah POLARISASI LINIER

Polarisasi dalam bentuk apapun dapat dinyatakan dalam variasi 2 buah polarisasi

linier. Asumsikan terdapat suatu gelombang yang mengalir dalam arah sumbu z dan

penyusun medan tersebut adalah 2 vektor medan dalam arah tegak lurus terhadap

arah mengalirnya (gelombang menjalar dalam arah-z) dan namakan kedua medan

terrsebut adalah Ex an Ey maka interaksi kedua medan tersebut akan menghasilkan

gelomabng yang disebut sebagai gelombang TEMz.

Jika medan tersebut dinyatakan secara matematis sebagai:

maka untuk titik pengamatan yang tetap missal pada titik z=0 akan dirasakan variasi

medan yang dapat dirumuskan sebagai:

Kasus 1: Untuk Polarisasi Linier berlaku (L) = 0 atau n maka bentuk medan pada

titik tersebut dapat dinyatakan sebagai:

Gambar 10. Polarisasi Linier

Kasus 2. Polarisasi Circular

Gambar 11. Polarisasi Circular

Dalam bentuk grafis lain jika Medan dengan Polarisasi Circular terrsebut diamati pada

waktu yang sama untuk titik pengamatan dalam sumbu z yang berlainan akan didapatkan

gambaran sebagai berikut:

Gambar 12. Polarisasi Circular diamati untuk itik yang berbeda pada sumbu

z untuk waktu yang sama

Kasus 3. Polarisasi Elliptical

Jika variasi medan ortogonalnya (Medan dalam arah x dan y yang saling tegak lurus)

mempunyai amplitude dan fasa yang berbeda, maka akan muncul Polarsasi Elliptical yang

secara metematis dapat igambarkan sebagai:

Dalam fungsi waktu, medan diatas dapat pula inyatakan sebagai:

dimana:

Dari persamaan diatas terrlihat bahwa komponen medan ex(t) dan ey(t) bergerak dalam

bentuk ellips dengan kecepatan . Perhatikan gambar berikut ini:

Gambar 13 Polarisasi Elliptic.

Adapun parameter-parameter yang berlaku dalam polarisai Elliptic adalah:

a. Sumbu Mayor (2xOA)

b. Sumbu Minor (2xOB)

c. Sudut tegak

d. Rasio Axial

11.2 VEKTOR POLARISASI dan RATIO POLARISASI

Vektor Polarisasi adalah nilai normalisasi dari fasor medan polarisasi. Nilai Vektor

Polarisasi ini umumnya berbentuk Komplek dan dapat dinyatakan sebagai:

Polarisasi Ratio adalah perbandingan antara nilai magnitude (amplitude) dari masing-

masing komponen vector yang saling tegak lurus.

11.3 POLARISASI ANTENA

Polarisasi dari Gelombang yang diradiasikan adalah polarisasi yang teramati pada suatu

titik dalam daerah medan jauh.

Polaisasi Gelombang yang diterima adalah polarisasi dari gelombang yang dating paa

antenna diukur dalam arah yang memberikan kontribusi daya maksimum penerimaan pada

terminal antenna.

11.4 RUGI POLARISASI

Umumnya polarisasi Antena tidak sama dengan polarisasi gelombang yang datang,

sehingga muncul rugi-rugi daya pada antenna. Rugi-rugi ini disebut sebagai PLF yang

dinyatakan sebagai:

Rumusan diatas terjadi dengan asumsi bahwa gelombang yang datang mempunyai bentuk

medan sebagai:

dan medan yang muncul pada terminal Antena adalah:

Perhatikan kondisi-kondisi yang muncul pada antenna berkaitan dengan Rugi Polarisasi

Gambar 12. Ilustrasi rugi polarisasi

Jika antara polarisasi gelombang yang datang = polarisasi antenna (polarisasi match),

maka PLF = 1 sehingga range nilai polarisasi adalah:

Contoh:

Antena mempunyai polarisasi

dan gelombang yang dating mempunyai polarisasi:

maka PLF yang terjadi adalah: