besaran penting pada antena

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.



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



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).



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.



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



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



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.



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.



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



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.



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.



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.

besaran penting pada antena

Documents