PERHITUNGAN PARAMETER ANTENNA HORN PIRAMIDA

MENGGUNAKAN MATLAB

TUGAS

MATA KULIAH

LABORATORIUM PENGOLAHAN SINYAL DIGITAL

Disusun Oleh :

1. Guntari Fitriawati NIM : 1312030035

2. Putri Ramdhany NIM : 1312030045

Kelas : TT-4A

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI JAKARTA

DEPOK

2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Perkembangan dunia teknologi saat ini kian berkembang pesat. Sehingga dari

waktu kewaktu dalam dunia teknologi dibutuhkan sesuatu yang baru dimana fungsinya

dapat lebih memudahkan para penggunanya. Perkembangan dunia teknologi dimulai

dari komunikasi dengan menggunakan kabel, hingga teknologi komunikasi tanpa kabel

(wireless). Perkembangan teknologi komunikasi tanpa kabel berbanding lurus dengan

perkembangan perangkat yang digunakan. Perangkat terpenting dalam perkembangan

teknologi komunikasi tanpa kabel adalah antenna. Antenna merupakan sebuah

perangkat yang digunakan untuk menerima dan memancarkan gelombang

elektromagnetik. Salah satu jenis antenna adalah antenna celah (Arpeture Antenna)

seperti antenna horn piramida.

Antenna (antenna atau areal) adalah perangkat yang berfungsi untuk

memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau

sebaliknya dari udara ke media kabel. Karena merupakan perangkat perantara antara

media kabel dan udara, maka antenna harus mempunyai sifat yang sesuai (match)

dengan media kabel pencatunya.

Aperture antenna lebih dikenal oleh orang-orang awam saat ini dibandingkan di

masa lalu karena peningkatan kebutuhan untuk bentuk yang lebih sederhana dari

antenna-antenna dan peralatan frekuensi tinggi. Contoh dari aperture antenna adalah

antenna horn piramida yang diaplikasikan pada pesawat dan kendaraan angkasa.

Perancangan antenna ini terdapat banyak rumus yang digunakan, maksud dari tugas

besar ini adalah untuk mempermudah perancangan antenna horn piramida dimana

perhitungan parameter-parameter antenna ini dapat dihitung secara otomatis dengan

menggunakan matlab.

1.2. Tujuan

1. Membuat perencanaan antenna horn piramida dengan berbagai ketentuan jenis

waveguide.

2. Membuat aplikasi perhitungan antenna horn piramida secara otomatis dengan

menggunakan matlab.

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Konsep Dasar Antenna

2.1.1.Koefisien Refleksi

Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antenna ke penerima, maka impedansi

antenna haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetapi

berlawanan tanda). Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemantukan energi

yang dipancarkan atau diterima, sesuai dengan persamaan berikut:

Γ L=ZL−Z¿

ZL+Z¿

Dimana : ZL=Impedansibeban

Z¿=impedansi input

2.1.2.Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

VSWR adalah tingkat ketidaksesuain antara beban dan saluran transmisi pada

antenna dikenal dengan VSWR, jika impedansi beban tidak sesuai dengan impedansi

saluran, maka sebagian energi pada gelombang datang akan dipantulkan kembali oleh

beban. Rumus yang digunakan untuk menghitung VSWR adalah :

VSWR=1+¿ Γ∨ ¿1−¿ Γ∨¿¿

¿

2.1.3. Return loss

Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik yang

menunjukkan daya yang hilang karena antenna dan saluran transmisi tidak matching.

Sehingga tidak semua daya diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan balik.

RL=20 log( S−1S+1 )

Dimana : S = VSWR antenna

2.1.4. Lebar Band Frekuensi (Bandwidth)

Penggunaan sebuah antenna didalam sistem pemancar ataupun penerima selalu

dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut, antenna

diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan

gelombang elektromagnetik pada band frekuensi tertentu. Pengertian harus dapat

bekerja dengan efektif disini adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari antenna

pada range frekuensi tersebut benar-benar belum mengalami perubahan yang berarti,

sehingga masih sesuai dengan pola radiasi yang direncanakan serta VSWR yang

diijinkan. Lebar band frekuensi atau dikenal sebagai Bandwidth antenna adalah range

frekuensi kerja dimana antenna masih dapat bekerja dengan efektif.

Gambar 1. Bandwidth pada antenna

Bandwidth dapat dinyatakan dalam bentuk persen. Dapat dituliskan sebagai berikut:

BW=f u−f l

f c

x100 %

Selain itu Bandwidth dapat pula dinyatakan dalam bentuk:

BW=f u−f l

Dimana : BW = Bandwidth

fu = frekuensi diatas frekuensi center (fc)

fl = frekuensi dibawah frekuensi center (fc)

2.1.5. Directivity

Karakteristik antenna yang dapat memberikan gambaran berapa banyak energi yang

dikonsentrasikan pada arah yang dikehendaki terhadap arah yang lain disebut

directivity. Directivity merupakan perbandingan antara intensitas radiasi maksimum

dengan intensitas radiasi rata-rata yang dipancarkan oleh suatu antenna. Pengertian

directivity ini akan sama dengan power gain apabila antenna itu 100% efisien.

2.1.6. Gain Antenna

Gain didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas maksimum suatu

antenna directive (arah pancarnya ke satu arah) dengan intensitas radiasi suatu antenna

pembanding isotropis (arah pancarnya ke segala arah), dalam kondisi daya masukan

kedua antenna sama besar.

Gain antenna dapat dihitung dengan menggunakan antenna lain sebagai antenna

yang standard atau sudah memiliki gain yang standard. Dimana membandingkan daya

yang diterima antara antenna standard dan antenna yang akan diukur dari antenna

pemancar yang sama dan dengan daya yang sama.

2.1.7. Pola Radiasi Antenna

Pola radiasi (radiation pattern) merupakan salah satu parameter penting dari

suatu antenna. Parameter ini sering dijumpai dalam spesifikasi suatu antenna, sehingga

pembaca dapat membayangkan bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antenna tersebut.

Dalam hal ini, maka pola radiasi disebut juga pernyataan secara grafis yang

menggambarkan sifat radiasi dari antenna (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 antenna.

2.2. Antenna Horn

Antenna horn merupakan antenna yang paling banyak dipakai dalam sistem

komunikasi gelombang mikro. Antenna ini ada dan mulai digunakan pada tahun 1800-

an. Antenna ini mempunyai gain yang tinggi, VSWR yang rendah, lebar pita

(Bandwidth) yang relatif besar, tidak berat, dan mudah dibuat.

2.2.1.Jenis-Jenis Antenna Horn

Berdasarkan bentuk luasannya, antenna horn diklasifikasikan dalam dua jenis

yaitu antenna horn persegi (rectangular horn antenna) dan antenna horn kerucut (conical

horn antenna).

Gambar 2. Jenis-jenis antenna Horn

2.2.2. Penggunaan Antenna Horn

Antenna horn digunakan secara luas, diantaranya sebagai elemen penerima untuk

radio astronomi, tracking satelit, serta sebagai pencatu pada reflektor antenna parabola.

Jenis antenna horn yang sering dipakai dalam praktek adalah antenna horn piramida,

karena itu dalam makalah ini akan dijelaskan karakteristik dari antenna horn,

khususnya mengenai pola radiasi, faktor penguatan dan keterarahannya.

Horn dapat dianggap sebagai bumbung (pandu) gelombang yang dibentangkan

sehingga gelombang-gelombang di dalam pandu tersebut menyebar menurut suatu orde

tertentu dan akan menghasilkan suatu distribusi medan melalui mulut horn sehingga

dapat dianggap sebagai sumber radiasi yang menghasilkan distribusi medan melalui

suatu luasan tangkap. Amplitudo dan fase medan pada bidang mulut horn tergantung

pada jenis dan mode gelombang catu yang masuk ke horn melalui pandu gelombang

dan tergantung pada sifat-sifat horn.

2.2.3. Sifat-Sifat Antenna Horn

Karakteristik medan-medan radiasi seperti pola radiasi, faktor penguatan, keterarahan

dan sebagainya sangat ditentukan oleh dimensi antenna horn, seperti panjang horn (R),

lebar a dan tinggi b atau ukuran-ukuran aperture. Penguatan maksimum dari antenna

horn diuraikan dengan persamaan :

Gain Optimum Horn(dB)=10(0,808+ logaλ

× logbλ )

Sedangkan directivity untuk sebuah antenna horn adalah:

D(dB)=10 log 7,5 x ( Ap

λ2 )

2.2.4. Antenna Horn Piramida

Antenna horn persegi yang paling populer adalah antenna horn jenis piramida

(pyramidal horn antenna). Antenna horn piramidal merupakan antenna celah (aperture

antenna) berbasis saluran pandu gelombang persegi (rectangular waveguide),

sedangkan mulutnya melebar ke arah bidang medan listrik (E) dan bidang medan

magnet (H), sehingga bentuk akhir antenna ini menyerupai piramida.

2.2.5.Konstruksi Antenna Horn Piramida

Seperti yang ditunjukan gambar berikut, antenna ini mengalami pelebaran pada

kedua sisinya. Ukuran dari penampang pandu gelombangnya adalah a dan b, dengan a

adalah bagian yang lebih lebar dari pada bagian b.

Gambar 3. Konstruksi antenna horn piramida

2.2.6. Pola Radiasi Antenna Horn

Pola radiasi suatu antenna didefinisikan sebagi suatu pernyataan secara grafis

yang menggambarkan sifat radiasi suatu antenna (pada medan jauh) sebagian fungsi

dari arah itu adalah pointing vektor, maka ia disebut sebagai Pola Daya (Power

Pattern).

Gambar 4. Pola radiasi antenna horn

Untuk menentukan pola radiasi antenna horn piramida sebagai fungsi dari medan

jauh, maka terlebih dahulu ditentukan medan listriknya pada luasan (mulut) horn.

Seringkali dibutuhkan antenna yang mempunyai pola radiasi broad side atau end fire.

Suatu antenna broad side adalah antenna dimana pancaran utama maksimum dalam

arah normal terhadap bidang dimana antenna berada. Sedangkan antenna end fire

adalah antenna yang pancaran utama maksimum dalam arah paralel terhadap bidang

utama dimana antenna berada. Namun demikian ada juga antenna yang mempunyai

pola radiasi di mana arah maksimum main lobe berada diantara bentuk broad side dan

end fire yang disebut dengan intermediate. selain itu juga intermediate juga diartikan

sebagai pancaran daya yang arah main beam pada posisi tegak lurus ataupun sejajar tapi

mengarah pada sudut tertentu. Antenna yang mempunyai pola radiasi intermediate

banyak dijumpai pada phased array antenna.

Gambar 5. (a) broad side (b) end fire (c) intermediate

2.2.7. Teorema Luasan Tangkap (Aperture)

Suatu antenna yang mempunyai struktur berupa suatu luasan yang dilalui

gelombang elektromagnetik dinamakan antenna luasan (aperture antenna). Antenna

horn adalah merupakan salah satu contoh dari antenna luasan. Konsep dari aperture

ditunjukkan sangat sederhana, yaitu dengan mempertimbangkan suatu antenna

penerima. Andaikata bahwa antenna penerima adalah suatu horn elektromagnetik yang

dibenamkan didalam medan dari suatu gelombang datar serba sama. Ambilah vektor

poynting, atau kerapatan power dari gelombang datar S watt permeter persegi. Apabila

horn menyerap semua power dari gelombang melalui seluruh luasan a1, maka power P

yang diserap dari gelombang adalah :

P = S . A (watt)

Sehingga, horn elektromagnetik dapat dianggap sebagai suatu aperture. Power

total yang diserap dari gelombang yang melaluinya menjadi sebanding dengan aperture

atau luasan mulut.

2.2.8. Waveguide

Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan

gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz – 300 GHz.

Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu

gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi tiga yaitu, yang

pertama adalah Rectanguler Waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan

yang kedua adalah Circular Waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan

Ellips Waveguide (waveguide dengan penampang ellips).

Dalam waveguide diatas mempunyai dua karakteristik penting, yaitu :

1. Frekuensi cut off, yang ditentukan oleh dimensi waveguide.

2. Mode gelombang yang ditransmisikan, yang memperlihatkan ada tidaknya medan

listrik atau medan magnet pada arah rambat.

Faktor-faktor dalam pemilihan waveguide sebagai saluran transmisi antara lain :

1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi.

2. Transmisi daya, tergantung pada bahan.

3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan.

Pemilihan waveguide sebagai pencatu karena pada frekuensi diatas 1 GHz, baik

kabel pair, kawat sejajar, maupun kabel koaksial sudah tidak efektif lagi sebagai media

transmisi gelombang elektromagnetik. Selain efek radiasinya yang besar, redamannya

juga semakin besar. Pada frekuensi tersebut, saluran transmisi yang layak sebagai

media transmisi gelombang elektromagnetik (microwave) adalah Waveguide.

Waveguide merupakan konduktor logam (biasanya terbuat dari brass atau

aluminium) yang berongga didalamnya, yang pada umumnya mempunyai penampang

berbentuk persegi (rectanguler waveguide) atau lingkaran (circular waveguide). Saluran

ini digunakan sebagai pemandu gelombang dari suatu sub sistem ke sub sistem yang

lain. Pada umumnya di dalam waveguide berisi udara, yang mempunyai karakteristik

mendekati ruang bebas.

Waveguide persegi adalah pandu gelombang dengan penampang persegi dan

model ini sering digunakan dalam praktik. Hal ini disebabkan karena perencanaan,

analisa serta pembuatannya relatif mudah. Dalam analisanya, waveguide persegi

memberikan hasil yang sederhana, dengan menggunakan koordinat siku-siku

(kartesian). Dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 6. Sistem koordinat untuk waveguide

Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan

gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz – 300 GHz.

Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu

gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi tiga yaitu, yang

pertama adalah Rectanguler Waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan

yang kedua adalah Circular Waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan

Ellips Waveguide (waveguide dengan penampang ellips).

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Pembahasan Untuk Perhitungan Secara Manual

Sebelum membuat program perhitungan parameter-parameter antenna horn

piramida secara otomatis dengan matlab, kita harus mengetahui terlebih dahulu rumus-

rumus yang digunakan, dan untuk menguji hasil dari program yang kita buat, maka

diperlukan pembanding dengan perhitungan manual. Untuk perhitungan secara manual

digunakan frekuensi 15 GHz, frekuensi kerja antenna horn piramida sebesar 15 GHz

menggunakan ketentuan WR 62 sesuai dengan tabel standar waveguide (Tabel 1),

sehingga didapat parameter panjang a = 1,78 cm dan lebar b = 0,99 cm.

Tabel 1. Jenis waveguide standar antenna horn persegi

No Jenis Waveguide

Range Frekuensi Kerja

Antenna Yang Digunakan

(GHz)

Dimensi

Panjang

a (cm)

Lebar

b (cm)

1 WR 650 1,12 - 1,7 16,9 8,66

2 WR 430 1,71 - 2,6 11,3 5,87

3 WR 284 2,61 - 3,95 7,62 3,81

4 WR 187 3,96 - 5,85 5,08 2,54

5 WR 137 5,86 - 8,2 3,81 1,91

6 WR 90 8,21 - 12,4 2,54 1,27

7 WR 62 12,41 – 18 1,78 0,99

8 WR 42 18,1 - 26,5 1,27 0,64

9 WR 28 26,51 – 40 0,91 0,56

10 WR 19 40,1 – 60 0,68 0,44

11 WR 12 60,1 – 90 0,51 0,36

12 WR 8 90,1 – 140 0,20 0,20

13 WR 5 140,1 – 220 0,20 0,20

14 WR 3 220,1 – 325 0,20 0,20

Keterangan : WR = Waveguide Rectangular

Gambar 7. Dimensi–dimensi antenna horn piramida Keterangan :

(a) Bentuk geometris antenna horn piramida

(b) Penampang melintang pada bidang H

(c) Penampang melintang pada bidang E

Panjang gelombang (λ) dengan frekuensi kerja 15 GHz :

λ=Cf

¿ 3.108m / s15.109 Hz

¿0,02 m

¿2 cm

Gain antenna horn piramida :

G=10 (0,808+ logaλ

×logbλ )

¿10(0,808+log1,78

2× log

0,992 )

¿8,234 dB

Koefisien radiasi (K) :

K=[ 10( G

10 )15,7497 ]

2

¿ [ 10( 8,23

10 )15,7497 ]

2

¿ 0,178 Panjang penampang bidang E (Re) :

Re=λ .√ K

¿2√0,178

¿ 0,843 cm

Panjang penampang bidang H (Rh) :

Rh=K ×λ2

Re

¿0,17 ×22

0,84

¿ 0,844 cm

Dimensi aperture antenna (mulut antenna horn) sisi A dan B :

A=√3. Rh . λ

¿√3×0,844 × 2

¿2,250 cm

B=√2. Re . λ

¿√2× 0,843 ×2

¿1,836 cm

Panjang antenna untuk bidang H (R1) dan bidang E (R2) :

R1=Rh[1+( a2 A )+( b

2B )]¿0,844 [1+( 1,78

2× 2,250 )+( 0,992× 1,836 )]=1,405 cm

R2=Re [1+( a2 A )+( b

2B ) ]¿0,843 [1+( 1,78

2×2,250 )+( 0,992×1,836 )]=1,403cm

Maka nilai R adalah :

R=R1+R2

2

¿ 1,405+1,4032

=1,404 cm

Panjang pangkal antenna horn piramida bidang H (r1) :

R xh=√Rh2−( A−a

2 )2

¿√0,8442−( 2,250−1,782 )

2

¿0,810 cm

R zh=√Rxh2−(B−b

2 )2

¿√0,8102−( 1,836−0,992 )

2

¿0,690 cm

Lalu mencari nilai r1 sebagai berikut :

r1=R1−R zh

¿1,405−0,690=0,715 cm

Panjang pangkal antenna horn piramida bidang E (r2) :

R xe=√ Re2−( B−b

2 )2

¿√0,8432−( 1,836−0,992 )

2

¿0,729 cm

R ze=√Rxe2−( A−a

2 )2

¿√0,7292−( 2,250−1,782 )

2

¿0.690 cm

Maka untuk mendapatkan nilai r2 adalah

r2=R2−R ze

¿1,403−0.690=0,713 cm

Sehingga didapat besar r sebagai berikut :

r=r1+r2

2

¿ 0,715+0,7132

=0,714 cm

Directivity antenna horn piramida yang dinyatakan dalam dB

D(dB)=10 log 7,5 x ( Ap

λ2 )¿10 log 7,5 x( 2,250 x1,836

22 )¿8,890dB

Dari seluruh hasil perhitungan, didapat perancangan antenna horn piramida untuk

frekuensi kerja 15 GHz sebagai berikut :

Gambar 8. Perancangan antenna horn piramida untuk frekuensi kerja 15 GHz

3.2. Pembuatan Program Perhitungan Secara Otomatis Dengan Matlab

Langkah pertama yaitu membuat perhitungan antena horn di software matlab, didalam software matlab dibuat input yaitu frekuensi dan range frekuensi. Pada output terdapat 15 parameter yaitu dimensi panjang (a), dimensi lebar (b), gain, koefisien radiasi (K), panjang penampang bidang E (Re), panjang penampang bidang H(Rh), dimensi aperture antena (mulut antena horn) sisi A (A), dimensi aperture antena (mulut antena horn) sisi B (B), panjang antena untuk bidang H (R1), panjang antena untuk bidang E (R2), nilai R, panjang pangkal antena horn piramida bidang H (r1), panjang pangkal antena horn piramida bidang E (r2), nilai r, dan directivity antena.

Pada range frekuensi terdapat 14 pilihan range frekuensi jadi digunakan 14case, masing- masing case mempunyai codingan yang hampir sama, bedanya yaitu pada setiap case nilai dimensi panjang (a) dan dimensi lebar (b) berbeda.seperti pada tampilan dibawah ini :

Case 1

Case 2 Case 3

Case 4 Case 5

Case 6 Case 7

Case 8 Case 9

Case 10

Case 12 Case 13

Case 14

Pada akhir case ditambahkan fungsi end untuk mengakhiri

Codingan untuk tampilan GUI

Hasil Akhir

Memasukkan input 15 GHz

Hasil perhitungan dengan MATLAB

BAB IV

KESIMPULAN

Kesimpulan dari makalah ini adalah

1. Hasil perhitungan dengan menggunakan matlab sesuai dengan perhitungan secara

manual.

2. Program perhitungan parameter-parameter secara otomatis dengan menggunakan

matlab sangat mempermudah dan mempercepat proses perancangan antenna horn

piramida.

3. Semakin besar frekuensi kerja suatu antenna, maka semakin kecil dimensi antenna

yang dihasilkan.

DAFTAR PUSTAKA

http://mudrikalaydrus.files.wordpress.com/2011/06/buku_antenna.pdf

http://www.jpier.org/PIER/pier114/11.10120603.pdf

http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-23097-Illustrations.pdf

http://dir.unikom.ac.id/s1-final-project/fakultas-teknik-dan-ilmu-komputer/teknik

lektro/2010/jbptunikompp-gdl-dedeyuswan-22890/3-babii.pdf/ori/3-babii.pdf

http://antennalaboratory.files.wordpress.com/2011/10/kuliah_antprop01061.pdf

http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Master-928-1107201717-bab1.pdf

http://lasonearth.files.wordpress.com/2008/05/pdf_radar1.pdf

http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-26340-2822201709_chapter1.pdf