KARAKTERISTIK DAN PARAMETER ANTENA

PENDAHULUAN

Antena (antenna) 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 antena harus mempunyai sifat yang sesuai dengan media kabel pencatunya.

Dalam perancangan suatu antena, baberapa hal yang harus diperhatikan diantaranya: bentuk dan arah radiasi yang diinginkan, polarisasi yang dimiliki, frekuensi kerja, lebar band (bandwidth), dan impedansi input yang dimiliki.

Untuk antena yang bekerja pada band VLF, LF, HF, VHF dan UHF bawah, sering mennggunakan jenis antena kawat (Gambar 1). Antena jenis ini, dimensi fisiknya disesuaikan dengan panjang gelombang dimana sistem bekerja. Semakin tinggi frekuensi kerja, maka semakin pendek panjang gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang fisik suatu antena.

Untuk antena gelombang mikro, penggunaan antena luasan (aperture antena) seperti antena horn, antena parabola (Gambar2), akan lebih efektif dibanding dengan antena kawat. Karena antena yang demikian mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik.

1. KARAKTERISTIK DAN PARAMETER ANTENA

1. Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Struktur pemancaran gelombang elektromagnetik yang paling sederhana adalah radiasi gelombang yang ditimbulkan oleh sebuah elemen arus kecil yang berubah-ubah secara harmonik. Elemen arus terkecil yang dapat menimbulkan pancaran gelombang elektromagnetik itu disebut sumber elementer (Lihat Gambar 3 ).

Jika medan yang ditimbulkan oleh setiap sumber elementer di dalam suatu konduktor antena dapat dijumlahkan secara keseluruhan, maka sifat-sifat radiasi dari sebuah antena akan diketahui. Timbulnya radiasi karena adanya sumber yang berupa arus bolak-balik ini diketahui secara matematis dari penyelesaian gelombang Helmhotz. Persamaan Helmholtz merupakan persamaan hasil penurunan lebih lanjut dari persamaan-persamaan Maxwell (lihat lampiran) dengan memasukkan kondisi Lorentz sebagai syarat batasnya. Dari hasil penyelesaian persamaan differrensial Helmholtz dengan menggunakan dyrac Green’s function, ditemukan bahwa potensial vektor pada suatu titik yang ditimbulkan oleh adanya arus yang mempunyai distribusi arus J adalah :

(1)

dimana : A_z = vektor potensial pada arah z

J = kerapatan arus

b        = bilangan gelombang (2p/l)

R = jarak titik pengamatan P dengan suber elementer

v’ = sumber elementer.

Persamaan di atas berlaku untuk segala bentuk sumber dan semua sistem koordinat, sehingga untuk mencari medan yang ditimbulkan oleh bermacam-macam bentuk dapat dipilih sistem koordinat yang sesaui dengan bentuk antena. Dengan diketahui potensial vektor A dari suatu sistem, maka medan magnet H dan medan listrik E yang dipancarkan oleh sumber itu akan dapat diketahui. Untuk medan magnet H dapat diperoleh dari persamaan :

H = Ñ x A (2)

Sedangkan medan listrik E dapat diperoleh dari salah satu bentuk persamaan Maxwell :

Ñ x H = J + j w e E (3)

Sehingga medan listrik E untuk daerah di dalam konduktor sumber adalah :

E = (Ñ x H – J) (4)

Dan untuk daerah di luar konduktor di mana J = 0, maka medan listrik E dari persamaan .. menjadi :

E = Ñ x H (5)

Apabila elemen sumber dan medan radiasinya berada di dalam koordinat bola, maka arah propagasi gelombangnya akan searah dengan vektor jari-jarinya. Sedangkan medan listrik dan medan magnet hanya mempunyai komponen q atau f, yang dalam ruang bebas akan berlaku :

H_f = dan H_q = (6)

Dengan : h = ( impedansi intrinsik medium)

(Lihat Gambar 1.2 Vektor medan dan poynting vektor pada koordinat bola)

2. POLA RADIASI

Pola radiasi antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila yang digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (power pattern) apabila yang digambarkan poynting vektor. Untuk dapat menggambarkan pola radiasi ini, terlebih dahulu harus ditemukan potensialnya.

Dalam koordinat bola, medan listrik E dan medan magnet H telah diketahui, keduanya memiliki komponen vetor q dan f. Sedangkan poynting vektornya dalam koordiant ini hanya mempunyai komponen radial saja. Besarnya komponen radial dari poynting vektor ini adalah :

P_r = ½ (7)

Dengan : | E | = (resultan dari magnitude medan listrik)

E_q : komponen medan listrik q

E_f : komponen medan listrik f

h : impedansi intrinsik ruang bebas (377 W)

Untuk menyatakan pola radiasi secara grafis, pola tersebut dapat digambarkan dalam bentuk absolut atau dalam bentuk relatif. Bentuk relatif adalah bentuk pola yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari pola radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya. Sehingga pola radiasi medan, apabila dinyatakan didalam pola yang ternormalisasi akan mempunyai bentuk :

F_{(q,f )} = (8)

Karena poynting vektor hanya mempunyai komponen radiasi yang sebenarnya berbanding lurus dengan kuadrat magnitudo kuat medannya, maka untuk pola daya apabila dinyatakan dalam pola ternormalisasi, tidak lain sama dengan kuadrat dari pola medan yang sudah dinormalisasikan itu.

P_{(q,f )} = | F_{(q,f )} |² (9)

Seringkali juga pola radiasi suatu antena digambarkan dengan satuan decibel (dB). Intensitas medan dalam decibel didefinisikan sebagai :

F_{(q,f ) dB} = 20 log | F_{(q,f )} | (dB) (10)

Sedangkan untuk pola dayanya didalam decibel adalah :

P_{(q,f ) dB} = 10 log P_{(q,f )}

= 20 log | F_{(q,f )} | (11)

Semua pola radiasi di atas adalah pola radiasi untuk kondisi medan jauh. Dalam pengukuran pola radiasi, faktor jarak mempengaruhi hasil pengukuran yang baik dan teliti. Semakin jauh jarak pengukuran pola radiasi yang digunakan semakin baik hasil yang diperoleh. Untuk melakukan pengukuran pola radiasi pada jarak yang benar-benar tak terhingga adalah suatu hal yang tak mungkin. Untuk keperluan pengukuran ini, ada suatu daerah di mana medan yang diradiasikan oleh antena sudah dapat dianggap sebagai tempat medan jauh apabila jarak antara sumber radiasi dengan antena yang diukur memenuhi ketentuan berikut :

r > (12)

r >> D dan r >> l

Dimana : r : jarak pengukuran

D : dimensi antena yang terpanjang

l : panjang gelombang yang dipancarkan sumber.

2.a Side Lobe Level

Ukuran yang menyatakan besar daya yang terkonsentrasi pada side lobe dibanding dengan main lobe disebut Side Lobe Level (SLL), yang merupakan rasio dari besar puncak dari side lobe terbesar dengan harga maksiumum dari main lobe. Side Lobe Level (SLL) dinyatakan dalam decibel (dB), dan ditulis dengan rumus sebagai berikut :

SLL = 20 log dB (13)

Dengan :F_(SLL) : nilai puncak dari side lobe terbesar

F_(maks) : nilai maksimum dari main lobe

Untuk normalisasi, F_(maks) mempunyai harga = 1 (satu).

2.b Half Power Beam Width (HPBW)

HPBW adalah sudut dari selisih titik-titik pada setengah pola daya dalam main lobe, yang dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut :

HPBW = | q _{HPBW left} - q _{HPBW right} | (14)

Dengan q _{HPBW left} dan q _{HPBW right} : titik-titik pada kiri dan kanan dari main lobe dimana pola daya mempunyai harga ½ .

Suatu antena yang mempunyai pola radiasi broad side adalah antena dimana pancaran utama maksimum dalam arah normal terhadap bidang dimana antena berada. Sedangkan antena end fire adalah antena yang pancaran utama maksimum dalam arah paralel terhadap bidang utama antena. Namun ada juga antena yang mempunyai pola radiasi di mana arah maksimum main lobe berada diantara bentuk broad side dan end fire yang disebut dengan intermediate.(lihat pola radiasipada gambar 4).

3. Direktivitas dan Gain

Hal terpenting dari suatu antena adalah seberapa besar antena mampu mengkonsentrasikan energi pada suatu arah yang diinginkan, dibandingkan dengan radiasi pada arah yang lain. Karakteristik tersebut dinamakan direktivitas (directivity) dan power gain. Power gain dinyatakan relatif terhadap suatu referensi tertentu, seperti sumber isotropis atau dipole ½ l.

Intensitas radiasi adalah daya yang diradiasikan pada suatu arah per unit sudut dan mempunyai satuan watt per steradian. Intensitas radiasi, dapat dinyatakan sebagai berikut :

U(q,f) = ½ Re (E x H^*) r² = P_r r² (15)

U(q,f) = U_m | F(q,f) |² (16)

Dimana : P_r = kerapatan daya

U_m = intensitas maksimum

| F(q,f) |² = magnitudo pola medan normalisasi

Intensitas radiasi dari sumber isotropis adalah tetap untuk seluruh ruangan pada suatu harga U(q,f). Dan untuk sumber non isotropis, intensitas radiasinya tidak tetap pada seluruh ruangan tetapi suatu daya rata-rata per steradian, dapat dinyatakan sebagai berikut :

U_ave = (17)

Dengan : d W = sin q dq df

P_T­­ : kerapatan daya total

3.a Direktivitas Antena

Directive gain adalah perbandingan intensitas radiasi pada suatu arah dengan intensitas radiasi rata-rata, yang dinyatakan sebagai berikut :

D(q,f) = (18)

Dimana : U(q,f) = intensitas radiasi, U_ave = intensitas radiasi rata-rata

Jika pembilang dan penyebut dibagi dengan r² maka akan diperoleh rasio kerapatan daya dengan kerapatan daya rata-rata. Dengan memasukkan persamaan 16 dan 17 kedalam persamaan 18 maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut :

(19)

Dengan W_A = (20)

Sedangkan direktivitas merupakan harga maksimum dari directive gain, yang dapat dinyatakan dengan :

D = (21)

3.b. Gain Antena

Penggunaan antena biasanya lebih memperhatikan efisien dalam memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan ini, power gain (atau gain saja) didefinisikan sebagai 4p kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan :

G(q,f) = 4p (22)

Definisi ini tidak termasuk losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi (impedance missmatch ) atau polarisasi. Harga maksimum dari gain adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (22), sehingga dapat dinyatakan dengan :

G = 4p (23)

Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari q dan f, diasumsikan sebagai gain maksimum.

Direktivatas dapat ditulis sebagai D = 4p , jika dibandingakan dengan persamaan (23) maka akan terlihat bahwa perbedaan gain maksimum dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada daya input. Bagian daya input (P_in) yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru, yaitu yang disebut dengan efisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

e = (24)

dengan harga e diantara nol dan satu ( 0 < e < 1) atau ( 0 < e < 100%).Sehingga gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut :

G = e D (25)

Namun dalam prakteknya jarang gain antena dihitung berdasarkan direktivitas (directivity) dan efisiensi yang dimilikinya, karena diperlukan perhitungan yang tidak mudah. Salah satu metode pengukuran power gain maksimum terlihat seperti pada gambar 5. Sebuah antena sebagai sumber radiasi, dicatu dengan daya tetap oleh transmitter sebesar P_in. Mula-mula antena standard dengan power gain maksimum yang sudah diketahui (G_s) digunakan sebagai antena penerima seperti terlihat pada gambar 5a. Kedua antena kemudian saling diarahkan sehingga diperoleh daya output P_s yang maksimum pada antena penerima. Selanjutnya antena standard diganti dengan antena yang akan dicari power gain-nya, sebagaimana terlihat pada gambar 5b. Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai polarisasi yang sama dengan antena standard dan diarahkan sedemikian rupa agar diperoleh daya out put P_t yang maksimum. Apabila pada antena standard sudah diketahui gain maksimumnya, maka dari pengukuran gain maksimum antena yang dicari dapat dihitung dengan :

G_t = G_s (26)

Atau jika dinyatakan dalam decibel adalah :

G_t (dB) = P_t (dB) - P_s (dB) + G_s (dB) (27)

4. IMPEDANSI ANTENA

Impedansi input akan dipengaruhi oleh antena-antena lain atau obyek-obyek yang dekat dengannya. Untuk mempermudah dalam pembahasan diasumsikan antena terisolasi.

Impedansi antena terdiri dari bagain riil dan imajiner, yang dapat dinyatakan dengan :

Z_in = R_in + j X_in (28)

Resistansi input (R_­in) menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi melalui dua cara, yaitu karena panas pada struktur antena yang berkaitan dengan perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi). Reaktansi input (X_in) menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat dari antena. Disipasi daya rata-rata pada antena dapat dinyatakan sebagai berikut :

P_in = ½ R | I_in |² (29)

Dimana : I_in = arus pada terminal input

Faktor ½ muncul karena arus didefinisikan sebagai harga puncak. Daya dissipasi dapat diuraikan menjadi daya rugi ohmic dan daya rugi radiasi, yang dapat ditulis dengan :

P_in = P_ohmic + P_r (30)

Dimana : P_r : ½ R_in | I_in |²

P_ohmic = ½ R_ohmic | I_in |²

Sehingga definisi resistansi radiasi dan resistansi ohmic suatu antena pada terminal input adalah :

(31a)

(31b)

Resistansi radiasi adalah relatif terhadap arus pada setiap titik antena. Biasanya digunakan arus maksimum, dengan kata lain arus yang digunakan pada persamaan 30 adalah arus maksimum.

Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda). Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemantulan energi yang dipancarkan atau diterima, sesaui dengan persamaan sebagai berikut :

G_L = (32)

Dengan : e^-_L = tegangan pantul Z_L = impedansi beban

e⁺_L = tegangan datang Z_in = impedansi input

Sedangkan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), dinyatakan sebagai berikut :

VSWR = (33)

Dalam prakteknya VSWR harus bernilai lebih kecil dari 2 (dua).

5. POLARISASI ANTENA

Polarisasi antena didefinisikan sebagai arah vektor medan listrik yang diradiasikan oleh antena pada arah propagasi. Jika jalur dari vektor medan listrik maju dan kembali pada suatu garis lurus dikatakan berpolarisasi linier.

Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar jalur lingkaran, dikatakan berpolarisasi lingkaran. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (right hand polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri (left hand polarize).

Gelombang yang menghasilkan polarisasi ellip adalah gelombang berjalan sepanjang sumbu z yang perputarannya dapat ke kiri dan ke kanan, dan vektor medan listrik sesaatnya e mempunyai arah komponen e_x dan e_y sepanjang sumbu x dan sumbu y. Harga puncak dari komponen-komponen tersebut adalah E₁ dan E_1.

Harga ralatif dari E₁ dan E₂, dapat dinyatakan sebagai berikut :

(34)

Sudut kemiringan ellips t adalah sudut antara sumbu x dengan sudut utama ellips. d adalah fase, dimana komponen y mendahului komponen x. Jika komponennya sefase (d =0), maka vektor akan berpolarisasi linier.

Orientasi dari polarisasi linier tergantung tergantung harga relatif dari E₁ dan E₂,.

jika : E₁ = 0 maka terjadi polarisasi linier vertikal

E₂ = 0 maka terjadi polarisasi linier horisontal

E₁= E₂ maka terjadi polarisasi linier membentuk sudut 45⁰

Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima harus sama dengan polarisasi antena pemancar. Kadang terjadi antara antena penerima dan pemancar berpolarisasi berbeda. Hal tersebut akan mengurangi intensitas sinyal yang diterima.

Sebuah antena dapat memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak diinginkan (polarisasi silang /cross polarized) dan berakibati mengurangi gain.

6. Bandwidth Antena

Antena dituntut bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu. Bekerja efektif artinya distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut belum banyak mengalami perubahan dan belum keluar dari batas yang diijinkan. Daerah frekuensi kerja dimana antena dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antenna. Misal sebuah antena bekerja pada frekuensi sebesar f_C, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f₁ < f_C sampai dengan f₂ > f_C, maka lebar bandwidth dari antena tersebut adalah (f₁ – f₂). Apabila dinyatakan dalam prosen, maka bandwidth antena tersebut adalah :

BW = x 100 % (35)

Bandwidth yang dinyatakan dalam prosen digunakan untuk menyatakan bandwidth antena dengan band sempit (narrow band). Untuk band yang lebar (broad band) digunakan definsi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah.

BW = (36)

Bandwidth antena dipengaruhi oleh luas penampang konduktor dan bentuk geometrinya. Misalnya pada antena dipole akan mempunyai bandwidth yang semakin lebar apabila penampang konduktor yang digunakannya semakin besar. Demikian pula pada antena yang mempunyai susunan fisik yang berubah secara smoth akan menghasilkan pola radiasi dan impedansi input yang berubah secara smoth terhadap perubahan frekuensi. Pada jenis antena gelombang berjalan (tavelling wave) ternyata ditemukan lebih lebar range frekuensi kerjanya daripada antena resonan.

1. KESIMPULAN

1. Antena jenis antena kawat dimensi fisiknya disesuaikan dengan panjang gelombang dimana sistem bekerja. Semakin tinggi frekuensi kerja, maka semakin pendek panjang gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang fisik suatu antena. Untuk antena gelombang mikro, menggunakan antena luasan (aperture antena) karena mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik.

2. Dalam pengukuran pola radiasi, faktor jarak mempengaruhi ketelitian hasil pengukuran. Semakin jauh jarak pengukuran pola radiasi yang digunakan semakin baik hasil yang diperoleh. Untuk melakukan pengukuran pola radiasi pada jarak yang benar-benar tak terhingga adalah suatu hal yang tak mungkin.

3. Karakter yang penting dari suatu antena adalah seberapa besar antena mampu mengkonsentrasikan energi pada suatu arah yang diinginkan, dibandingkan dengan radiasi pada arah yang lain.

4. Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda).

5. Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima harus sama dengan polarisasi antena pemancar. Antena bekerja efektif artinya distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut belum banyak mengalami perubahan dan belum keluar dari batas yang diijinkan.

D. DAFTAR PUSTAKA

1. Dr. Ing Mudrik Alaydrus, Antena Reflektor. <http//Mudrikalaydrus.files. wordpress.com/2008/05>. Diakses tanggal 14 November 2008 Jam 19.11.

1. John D. Krous. 1988. Antenas. McGraw-Hill Book Company.

1. Subagjo Basuki B. 2003. Antena dan Propagasi. Polines. Semarang.

1. Uke Kurniawan Usman.Sistem LMDS Wireless Broadband .<www.te.ugm.ac.id/~nanangsw>. Diakses tanggal 2 November 2008 Jam 19.48.

1. Umi Fadhillah. Simulasi Pola Radiasi Antena Dipole Tunggal. <http://eprints.ums.ac.id/16/1/Emitor>. Diakses tanggal 7 November 2008 Jam 19.20.