ee3253a_1_pendahuluan_2004

Revisi September 2001

Modul 1 EE 3253a Sistem Antena

PendahuluanOleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST

Modul 1 Pendahuluan A. Latar belakang, definisi & review elektromagnetika B. Bagaimana antena bekerja ? C. Dipole pendek D. Konsep medan dekat dan medan jauh E. Diagram arah F. Tahanan pancar G. Berbagai terminologi H. Pengenalan macam-macam antena I. Kesimpulan modul I page 3 page 7 page 9 page 17 page 19 page 21 page 26 page 29 page 32

Nachwan Mufti A

Modul Ia Pendahuluan

2

A. Latar Belakang SejarahSejarah telekomunikasi listrik dimulai secara resmi pertamakali saattahun 1938 SFB Morse berhasil melakukan hubungan telegrap sejauh 16 km. Hingga telekomunikasi mencapai bentuk canggihnya sekarang, telekomunikasi telah melalui sejarah panjang eksperimen dan riset bidang fisika dan matematika James Clerk Maxwell menemukan fenomena arus pergeseran yang menjadi dasar ilmu radiasi pada tahun 1864 melalui suatu manipulasi matematis diferensial. Tahun 1873, dia menunjukkan bahwa cahaya termasuk dalam kelompok gelombang EM dalam papernya , A Treatise on Electricity and Magnetism. Heinrich Rudolph Hertz mendemonstrasikan sistem gelombang EM tanpa kabel pertamakali tahun 1886 dengan menggunakan dipole /2. Pada 1890, dia mempublikasikan catatannya tentang elektrodinamika, dan melakukan penyederhanaan persamaanpersamaan elektromagnetikaNachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 3

A. Latar Belakang SejarahBulan Mei 1895, pesan telegrap yang pertama berhasil ditransmisikan, diterima, dan diterjemahkan melalui eksperimen ilmuwan Rusia yang brillian bernama Alexander Popov. Pesan dikirimkan dari kapal perang Rusia sejauh 30 mil menuju laboratoriumnya di St. Petersburg, Rusia. Sayang sekali bahwa eksperimen tersebut sangat dirahasiakan sehingga sebutan Bapak Radio jatuh pada G Marconi. Lebih jauh, dunia barat baru mengenal pengiriman pesan melalui eksperimen S.F.B Morse tahun 1938 !

Guglielmo Marconi (The Father of Radio) terkenal dengan eksperimennya yang mengirimkan sinyal pada jarak jauh. Pada tahun 1901, dia melakukan eksperimennya yang terkenal dengan mengirimkan sinyal trans atlantic dari Poldhu di Cornwall, England, menuju Newfoundland, Canada.

Nachwan Mufti A


4

B. Model Sistem KomunikasiMessagei nput Sinyal input Sinyal yang ditransmisikan

TITransducer Input

TxPemancar

Kanal komunikasi

TOMessage output Transducer Output

RxPenerima Redaman, distorsi, derau, interferensi ( tergantung karakteristik kanal ybs )5

Nachwan Mufti A


B. Model KomunikasiFungsi dasar komunikasi Transmisi atau pengiriman informasi, dimana tiap macam sistem memiliki kekhususan tersendiri Definisi komunikasi Proses pemindahan informasi dari satu titik ke titik lainnya dalam ruang dan waktu tertentu Message / pesan Manifestasi informasi dari sumber informasi (orang, alat musik, mesin, dll) berupa suara, data, bahkan kode-kode tertentu Tujuan komunikasi Menyediakan replika message di tempat tujuan Transducer Mengubah message menjadi sinyal listrik dan sebaliknya Ada 2 macam : Transducer Input (TI) dan Transducer Output (TO)Nachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 6

B. Model KomunikasiLebih jauh, dalam matakuliah Sistem Komunikasi, kita mengenal blok umumsistem komunikasi digital sebagai berikut : SOURCE SOURCE CODING CHANNEL CODING TRANSMITTER Tx CHANNEL SINK SOURCE DE-COD CHANNEL DE-COD RECEIVER Rx

NOISE & INTERF.Nachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 7

B. Model KomunikasiSOURCE SOURCE CODING CHANNEL CODING Tx CHANNEL Rx CHANNEL DE-COD SOURCE DE-COD SINK

Human Speech - HiFi / TV - Data-

Quality Delay

Nachwan Mufti A


8


The process of efficiently converting the output of either analogue or digital source into a sequence of binary digits is called: SOURCE CODING1. 2. 3.

The introduction of controlled redundancy into a signal to compensate for any sources of noise and interference is called: CHANNEL CODING-

The medium between Tx and Rx is called: CHANNEL-

Wireless Telephone Fiber cable

Each of the channels has unique features with respect to signal distortion and noise. Thus each is treated separately and the modulation schemes differ!

Electromagnetic representation (current) Quantization/ Digitalization Compression(minimize redundancy)

repetition (no intelligence) other coding (intelligence)Input k bits Output n bits: k/n code rate

The interface which modulates the digital bit stream onto an appropriate waveform, capable of propagating through the communication channel, is called: MODULATOR or TRANSMITTER9

Nachwan Mufti A



NOISE

All processes which degrade the signal in an additive manner (and whichautocorrelation function is a Dirac delta) are called:

NOISE-

Thermal noise (Tx, cable, Rx) Natural and man- made noise Interferences (usually from other man operatedsystems)

Nachwan Mufti A


10

B. Model KomunikasiDosen ... Antena dan Propagasi Heroe Wijanto Nachwan Mufti A Bambang Setia Nugroho Kris Sujatmoko

SOURCE

SOURCE CODING

CHANNEL CODING

Tx

CHANNEL

Rx

CHANNEL DE-COD

SOURCE DE-COD

SINK

Information Theory Hadi Suwastio Iwan Iwut TA

Sistem Komunikasi Digital Bambang Sumajudin Andi HermawanModul Ia Pendahuluan 11

Nachwan Mufti A

Review ElektromagnetikaPersamaan Maxwell (th 1864) Konsep yang mendasari semua fenomena dalam elektromagnetika Persamaan bentuk integral di bawah menjelaskan arti fisis dari perilaku listrik dan magnitHukum Faraday Hukum Ampere dan Arus Pergeseran Maxwell Hukum Gauss Hukum Gauss Untuk Medan Magnet

r r r d r E dL = dt B dS r r r r r d r H dL = J d S + D dS dt r r D dS = V dV = Q r r B dS = 0Masih ingat persamaan tsb ?

Nachwan Mufti A


12

C. Bagaimana antena bekerja ?Definisi :antena Antena adalah transformator / struktur transmisi antara gelombang terbimbing (saluran transmisi) dengan gelombang ruang bebas atau sebaliknya

Tx

saltran

Antena berfungsi sebagai Pelepas energi elektromagnetik ke udara / ruang bebas Penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas Bagaimana antena dapat berfungsi sebagai penerima/pelepas energi EM ?

Nachwan Mufti A


13

C. Bagaimana antena bekerja ?... Hukum Gauss..r r E dS = V dV = QDari hukum diatas dapat diturunkan untuk suatu muatan titik q tertentu,

r q r E = k 2 aR rUntuk suatu muatan yang berubah terhadap waktu ( q(t) ), maka kita akan dapat menuliskan sebagai berikut :

r q ( t) r E (t ) = k 2 a R rNachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 14

C. Bagaimana antena bekerja ?...Definisi arus,Arus adalah jumlah muatan yang menembus suatu penampang tiap satuan waktu tertentu

i=

dQ dt

Atau dalam hal ini, muatan yang berubah terhadap waktu sebanding daan bisa dihasilkan dari arus yang berubah terhadap waktu

Q ( t ) = i ( t ) dtArus yang mengalir pada antena, adalah arus yang berubah terhadap waktu karena sudah dimodulasi dan merupakan representasi dari informasi Sehingga, Perubahan medan listrik ditempat jauh akan bersesuaian dengan perubahan arus pada antena pengirim, lebih jauh akan bersesuaian juga dengan perubahan informasi yang dikirimkanNachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 15

D. Dipole Pendek Contoh kasus penurunan rumus radiasi gelombang Retarded Potentials Konsep

Analisis untuk suatu dipole pendek, panjang filamen jauh lebih pendek dari panjang gelombang distribusi arus uniform+q I

Asumsi dasar : L > tetapi

0 : Frekuensi Rendah

Disebut juga sebagai kondisi QUASI STASIONER

[I] = I o e ( c ) [q ] = [I]dtjw t S

Er =

[q ]L cos

2r 3 [q ]L sin E = 4r 3 I L sin H = o 4r 2Modul Ia Pendahuluan 25

Nachwan Mufti A

F. Diagram ArahDiagram arah digunakan untuk melukiskan pola pancar dari antena. Diagram arah medan dapat dilihat dari persamaan medan yang dimaksud Lihat lagi persamaan medan untuk dipole pendek !!Er = E = I0 L cos 1 1 j (t r c ) + e 2 cr 2 jr 3 I0L sin j 1 1 j(t r c ) + 2+ e 4 c 2r cr jr 3 Untuk jarak r tertentu, persamaan disamping dapat dituliskan sbb ;

I L sin j 1 j(t r c ) + H = 0 e 4 cr r 2

E r = K 1 cos .eE = K 2 sin .eH = K 3 sin .e

j t r

(

c

)

j t r c

(

)

j t r

(

c

)2 j 2 t r c

r

atau U = K 4 sin .e

(

)26

Nachwan Mufti A


F. Diagram Arah...

2 bola bertumpuk

E r = K 1 cos .eDonat

j t r

(

c

)

E = K 2 sin .eDiagram arah me dan

j t r c

(

)

H = K 3 sin .e

j t r

(

c

)2 j 2 t r c

r

atau U = K 4 sin .e

(

)

Donat gepeng

Diagram arah dayaNachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 27

F. Diagram Arah...Pola 3 dimensi

Nachwan Mufti A


28

G. Konsep Tahanan PancarDefinisiTahanan pancar adalah tahanan yang mewakili daya pancar antena Definisi tersebut dapat dipahami dengan memandang bahwa antena seolah adalah adalah beban dengan impedansi tertentu, sedangkan daya pancar dalam hal ini adalah daya yang didisipasikan efektif pada beban tersebut Konsep tahanan pancar selalu ditinjau pada me dan jauh, hal ini disebabkan karena medan jauh mewakili daya yang diradiasikan sedangkan medan dekat tidak diperhitungkan karena sifatnya yang kapasitif. atau mewakili daya yang tersimpan

Penurunan rumus tahanan pancar,Dari 2 buah persamaan medan listrik dan magnet dipole pendek untuk me dan jauh

E =H =Nachwan Mufti A

jI 0 L sin j (t r c ) .e 4c 2 r jI 0L sin j (t r c )4 cr .e

Pr a r = E a H a Konsep vektor poyntingModul Ia Pendahuluan 29

G. Konsep Tahanan Pancar...jI 0L sin j (t r c ) .e 4 cr I 0 L sin sin(t r ) 2 r

H =

H =

Tool Mengubah dari bentuk fasor ke bentuk waktu, E(t) = Re [ (Efasor) ejwt ] dimana, ejwt = cos wt + j sin wt2

Pr a r = E a H a = H a rMaka,2

Pr a r = H Nachwan Mufti A

2

I L = o . sin 2 . sin 2 ( t r )a r 2r Modul Ia Pendahuluan 30

G. Konsep Tahanan Pancar...Daya total sesaat yang menembus permukaan bola dengan jari-jari ro ,dinyatakan sbb :

r WT = PS

r = ro

r dS

2 I L 2 2 2 o = sin sin (t r0 ) a r r02 sin dd a r 2r0 0 0 2 I L 2 = 0 sin 2 ( t r0 ) 3 Daya rata-rata dinyatakan :

{

}

1 I L 2 Wav = 0 sin 2 ( t r0 ) dt T0 3T

2

Nachwan Mufti A


31

G. Konsep Tahanan Pancar...Daya rata-rata :

1 I L 2 Wav = 0 sin 2 ( t r0 ) dt T0 3T

2

I L Wav = 0 3

2

= 120( udara )

I L Wav = 402 0 Nachwan Mufti A

2

Daya rata-rata di samping mewakili daya yang diradiasikan atau daya yang seolah-olah diserap oleh tahanan pada terminal antena,Modul Ia Pendahuluan

Wav = Prad ,rms32

G. Konsep Tahanan Pancar...Jadi.

1 I L Wav = 40 0 = I 2 .R rad 0 2 2

2

Sehingga ,

R rad

2P L = 2av = 80 2 I0

2

Ingat asumsi-asumsi semula, persamaan ini berlaku untuk Distribusi arus uniform

Nachwan Mufti A


33

H. Berbagai TerminologiSaluran transmisiAdalah media fisik untuk membimbing energi gelombang elektromagnetik dari suatu titik ke titik lain. Syarat yang harus dipenuhi saluran transmisi adalah : tidak menyebar, gelombang mengikuti saluran transmisi (satu dimensi redaman minimum (rugi-rugi panas kecil, rugi-rugi pancaran kecil) Bandwidth saluran transmisi adalah daerah frekuensi kerja saluran transmisi untuk range SWR tertentu. Konsep bandwidth saluran transmisi tergantung kepada : Jenis / macam saluran transmisi Transformasi impedansi Dalam kaitannya dengan transformasi impedansi, kita masih ingat bahwa matching dengan stub ganda akan memberikan bandwidth yang lebih besar daripada matching dengan stub tunggal.Nachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan 34

H. Berbagai Terminologi...ResonatorAlat untuk menunjukkan adanya gelombang berdiri (konsentrasi medan listrik dan medan magnet. Faktor Q (kualitas) : Daya tersimpan dibagi daya input Tidak ada konduktor dalam Cavity Resonator

Cavity

Bandwidth AntenaSeperti pada saltraan, bandwidth antena dipengaruhi oleh bentuk fisik dan juga oleh transformasi impedansi. Bandwidth antena didefinisikan sebagai daerah frekuensi kerja antena untuk range SWR tertentu Keterpengaruhan antena pada bentuk fisiknya dapat dilihat pada gambar berikut :d

Antena seimbang pada balans

D D/d Konstan

D

B1Nachwan Mufti A

>

B2

>

B3

>

B4

>

B535


H. Berbagai Terminologi...d

Antena tak seimbang pada unbalansD

B1

Daerah antena

>

B2

>

B3

>

B4

Daerah 1 : Daerah antena, benda-benda didaerah ini saling mempengaruhi dengan antena ( impedansi dan pola pancar ) Daerah 2 : Daerah medan dekat / daerah Fraunhofer, di daerah ini medan listrik dan magnet belum transversal penuh Daerah 3 : Daerah medan jauh, di daerah ini, medan listrik dan magnet transversal penuh daan keduanya tegaklurus terhadap arah perambatan gelombangNachwan Mufti A Modul Ia Pendahuluan

2 3 L 1 R1 R2

L2 R2 = 2 36

I. Pengenalan Jenis-Jenis Antena Antena kawatDipole Loop

whipBeverage Helix

Antena aperture (permukaan)

Corong Piramid

Corong Kerucut

Celah pada dinding tabung Bumbung Gelombang Terbuka

Nachwan Mufti A


37

I. Pengenalan Jenis-Jenis Antena... Antena Susunan

Susunan Wave Guide

Susunan Celah

Antena aperture (permukaan)

Front Feed

Cassegrain Feed

Gregorian Feed

Corner Reflektor

Paraboloidal Reflektor

Nachwan Mufti A


38

I. Pengenalan Jenis-Jenis Antena... Antena LensaAntena lensa bukanlah terbuat dari kaca, melainkan terbuat dari bahan dengan permitivitas relatif dan bentuk tertentu, sedemikian memiliki sifat pembiasan gelombang EM yang mirip dengan apa yang dilakukan lensa kaca terhadap gelombang cahayan>1

Cembung Datar

Cembung Cembung

Cembung Cekung

n> Medan dekat : r > , frekuensi rendah 6. Tahanan pancar adalah tahanan yang mewakili daya efektif yang dipancarkan antena

Nachwan Mufti A


42

ee3253a_1_pendahuluan_2004

Documents