Slide 1

Dasar-Dasar AntenaTeddy PurnamirzaJurusan T. Elektro UIN Suska Riau(Sebagian besar materi kuliah ini bereferensi ke www.antena-theory.com)Apa itu antenaPasti sudah tahu..Biasanya kita familiar dengan antena TV, antena radio, antena parabola, antena hp?, dllAntena adalah suatu perangkat yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal gelombang elektromagnetik, sehingga sinyal tersebut dapat disalurkan lewat ruang bebas, atau sebaliknya.PengirimPenerimaFrekuensiKonsep yang sangat penting dalam teori antenaAntena mengirim dan menerima gelombang elektromagnetik (GEM)Contoh GEM adalah sinyal yang diterima/dikirim hp, termasuk juga cahayaMata kita sebenarnya adalah antena yang menerima GEM cahaya pada frekuensi tertentuFrekuensi tertentu ini dilihat oleh mata sebagai warna

FrekuensiSemua GEM berpropagasi dengan kecepatan yang sama di udara. Dgn kec 300.000 km/detik atau ditulis 3 x 108 km/detikGEM adalah medan listrik yang bercampur dengan medan magnet yang menjalar di mediaum apa saja, dalam bentuk apapunGEM dasar adalah sinusGEM bervariasi terhadap posisi dan terhadap waktu

Frekuensi

Gelombang periodik, yang berulang setiap T detikGelombang periodik, yang berulang setiap meterFrekuensi adalah jumlah siklus gelombang selama 1 detikHubungan f = 1/TSeberapa cepat orang berjalan ditunjukkan oleh langkah (panjang gelombang) dikalikan laju mereka melangkah (frekuensi), maka ditulis :c= f

FrekuensiKarena kecepatan GEM sama pada suatu medium, maka semakin besar frekuensi maka akan semakin kecil panjang gelombang, atau sebaliknya

Semua bentuk sinyal, sebenarnya adalah gabungan dari sinyal-sinyal sinus yang memiliki frekuensi yang berbeda-beda.

FrekuensiSinus dengan T=2*pi dan amplituda 0.3

FrekuensiFrekuensi sinyal 2 kali sinyal pertama

FrekuensiFrekuensi sinyal 3 kali sinyal pertama

FrekuensiFrekuensi sinyal 4 kali sinyal pertama

FrekuensiTeori ini benar untuk seluruh bentuk sinyalSecara umum, GEM tidak terdiri dari sejumlah frekuensi yang diskrit, tapi lebih berupa jangkauan frekuensi yang kontinyuJangkauan frekuensi ini disebut juga dengan Pita frekuensiFrekuensiCek program Matlab berikut:

t=0:0.05:6;f=1/3;y1=0.3*sin(2*pi*f*t);y2=0.6*sin(2*pi*(2*f)*t);y3=0.25*sin(2*pi*(3*f)*t);y4=0.3*sin(2*pi*(4*f)*t);z1=y1+y2;z2=z1+y3;z3=z2+y4; plot(t,y1); figure; plot(t,y1);hold on; plot(t,z3,'r')figure; plot(t,y2); hold on; figure; plot(t,z1); hold on; plot(t,z3,'r')figure; plot(t,y3); hold on; figure; plot(t,z2); hold on; plot(t,z3,'r')figure; plot(t,y4); hold on; figure; plot(t,z3,'r')

Frekuensi (Latihan)Buatlah program Matlab yang menghasilkan 4 sinyal yang memiliki frekuensi sbb:Sinyal 2 memiliki frekuensi 2 kali frekuensi sinyal 1Sinyal 3 memiliki frekuensi 3 kali frekuensi sinyal 1Sinyal 4 memiliki frekuensi 4 kali frekuensi sinyal 1Amplitudo maks sinyal 1=4 sinyal2=2 sinyal3=3.5 sinyal4=1.25Pita FrekuensiSinyal yang beroperasi pada frekuensi yang sama, jika bercampur dapat saling mengganggu, baik mengganggu sebagai noise bagi sinyal lainnya atau menjadi sinyal yang saling melemahkan. Hal ini biasanya ini disebut dengan interferensiItulah mengapa setiap sinyal yang beroperasi pada daerah yang sama mesti memiliki frekuensi yang berbedaContoh: Seluler HP beroperasi pada 1850-1900 MHz, televisi 54-216 MHz, radio FM 87-108 MHzIni disebut dengan spektrum, dan spektrum ini penggunaannya diatur oleh negara Bandwidth (Lebar Pita Frekuensi) suatu sinyal adalah frekuensi dimana energi sinyal berada. Misalnya sinyal yang memiliki energi yang berada pada frekuensi 40 sampai 50 MHz, adalah memiliki bandwidth 10 MHz

Pita FrekuensiFrequency Band Name Frequency Range Wavelength (Meters)ApplicationExtremely Low Frequency (ELF)3-30 Hz10,000-100,000 kmUnderwater CommunicationSuper Low Frequency (SLF)30-300 Hz1,000-10,000 kmAC Power (though not a transmitted wave)Ultra Low Frequency (ULF)300-3000 Hz100-1,000 kmVery Low Frequency (VLF)3-30 kHz10-100 kmNavigational BeaconsLow Frequency (LF)30-300 kHz1-10 kmAM RadioMedium Frequency (MF)300-3000 kHz100-1,000 mAviation and AM RadioHigh Frequency (HF)3-30 MHz10-100 mShortwave RadioVery High Frequency (VHF)30-300 MHz1-10 mFM RadioUltra High Frequency (UHF)300-3000 MHz10-100 cmTelevision, Mobile Phones, GPSSuper High Frequency (SHF)3-30 GHz1-10 cmSatellite Links, Wireless CommunicationExtremely High Frequency (EHF)30-300 GHz1-10 mmAstronomy, Remote SensingVisible Spectrum400-790 THz (4*10^14-7.9*10^14)380-750 nm (nanometers)Human EyePola Radiasi (Radiation Pattern)Didefenisikan sebagai variasi daya yang dipancarkan oleh antena sebagai fungsi arahPola radiasi ini diukur pada medan jauh, biasanya diplot dalam desibel (dB)

Pola Radiasi (Radiation Pattern)Biasanya digambarkan juga dalam 2 dimensi agar lebih mudah dianalisaZyxPola Radiasi (Radiation Pattern)Bentuk lain dari pola radiasi dalam 2 dimensi:

Elevation () adalah sudut yang diukur dari sumbu z dan bertambah jika bergerak turun kebawahAzimuth () adalah sudut yang diukur dari sumbu +x dan bertambah jika bergerak berlawanan arah jarum jam

Pola Radiasi (Radiation Pattern)Pola radiasi disebut isotropik jika memiliki pola/besar daya yang sama pada semua arah. Antena ini tidak ada dalam kenyataannyaOmnidireksional : jika memiliki pola radiasi sama ke segala arah pada suatu bidang tertentu, contohnya gambar pola radiasi yang sebelum ini. Contoh antenna nya adalah dipole dan antena slotDireksional: jika memiliki pola radiasi yang tidak simetri, yaitu memiliki satu puncak pada arah tertentu, artinya sebagian daya sinyal diarah kan pada arah ini, contoh antenanya antena piringan (disk) dan antenna slot waveguidePola Radiasi (Radiation Pattern)Contoh pola radiasi antena direksional

Pola Radiasi (Contoh)fx =inline('cos(theta)^2*sin(theta)*cos(phi)');fy = inline('cos(theta)^2*sin(theta)*sin(phi)');fz = inline('cos(theta)^2*cos(theta)');figureezmesh(fx,fy,fz,[0 2*pi 0 pi],100)colormap([0 0 0])axis equalset(gca,'xdir','reverse','ydir','reverse')

Pola Radiasi (Contoh)set(0,'defaultfigurecolor','w')N=12;d=.25;th=-pi/2:.01:pi/2;an=th*180/pi;AF1=abs(sin(N*pi*d*sin(th))./(N*(pi*d*sin(th))));figure;plot(an,AF1,'k')xlabel('\theta')ylabel('Field Pattern')axis([-90 90 0 1])grid onfigure;polar(th,AF1,'k')view(90,-90)

Pola Radiasi (Contoh)tend=pi/2;set(0,'defaultfigurecolor','w')fx=inline('abs(sin(3*pi*sin(theta))/(3*pi*sin(theta)))*sin(theta)*cos(phi)');fy=inline('abs(sin(3*pi*sin(theta))/(3*pi*sin(theta)))*sin(theta)*sin(phi)');fz=inline('abs(sin(3*pi*sin(theta))/(3*pi*sin(theta)))*cos(theta)');figure;ezsurf(fx,fy,fz,[pi,-pi,0,tend],100)shading interpcolormap(gray)brighten(.5)axis squareaxis equalaxis([-.5 .5 -.5 .5 0 1])set(gca,'XDir','reverse','YDir','reverse')view(-63,24)camlight(20,-20,'infinite')material dulllighting phonggrid offaxis offtitle .

Daerah MedanMedan disekitar antena dibagi tiga:Medan dekat reaktifMedan dekat radiasi atau daerah FresnelMedan jauh atau daerah FraunhoferDaerah yang paling penting adalah medan jauhKarena antena efeknya dianalisa pada daerah iniMedan JauhDaerah jauh dari antenaPola radiasi tidak berubah bentuknya terhadap jarakDidominasi oleh medan radiasiMedan E dan H orthogonal satu sama lainArah propogasi searah dengan bidang gelombangR > 2D2/ ; R>> D ; R>> Daerah Medan

Daerah MedanDaerah Medan dekat reaktifDidominasi medan reaktif, artinya medan E dan H berbeda fasa 90 derajatR < 0.62 (D3/ )Daerah Medan dekat radiasiDaerah antara medan jauh dan medan dekat reaktifMedan reaktif tidak mendominasi, medan radiasi munculPola radiasi dapat berubah terhadap jarak0.62 (D3/ ) < R < 2D2/ Medan ini bisa ada bisa tidak, tergantung dari nilai R dan panjang gelombangDaerah Medan (kesimpulan)

Pengarahan (Direktivitas)Mengukur seberapa mengarahkah pola radiasi sebuah antena.Antena yang meradiasi sama segala arah memiliki pengarahan nol dB atau 1 kaliPola radiasi antena ternormalisai dapat ditulis dalam fungsi koordinat spherical F(,) Pola radiasi antena ternormalisasi sama dengan pola radiasi tapi magnitudenya yang terbesar diset menjadi 1Pengarahan

Pengarahan (Direktivitas)Nampaknya rumusnya rumit, tapi ini sangat sederhana sebenarnya

Nilai pola radiasi ternormalisasimaksimumDaya rata-rata yang diradiasikan pada seluruharahPengarahan (Direktivitas)Contoh: terdapat dua antena, dengan pola radiasi sbb:antena 1antena 2Gambarkanlah pola radiasi kedua antena tersebut!

Perhatikan bahwa pola radiasi tersebut hanya sebagai fungsi elevasiDari gambar diatas dapat diketahui bahwa antena 2 lebih mengarah dibanding antena 1

Pengarahan (Direktivitas)Menggunakan rumus pengarah, dapat dihitung nilai pengarahan kedua antena diatas yaituAntena 1 = 1,273 (1.05 dB)antena 2= 2.707 (4.32 dB)Semakin tinggi pengarahan maka semakin fokus suatu antenaAntena 2 menerima daya 2.707 kali lebih kuat pada puncak pengarahan antena dibandingkan daya yang diterima oleh antena isotropik.Bagaimana dengan antena 1?Antena hp seharusnya memiliki pengarahan yang rendah, karena sinyal dapat datang dari sembarang arah. Sedangkan antena satelit harusnya memiliki pengarahan yang tinggi, karena menerima sinyal pada arah tertentu. Bagaimana dengan antena TV?Pengarahan (Direktivitas)Tipe antenaTypical DirectivityTypical Directivity (dB)Short Dipole Antenna1.51.76Half-Wave Dipole Antenna1.642.15Patch (Microstrip) Antenna3.2-6.3 5-8Horn Antenna10-10010-20Dish Antenna10-10,00010-40Biasanya antena yang kecil akan memiliki pengarahan yang rendah, jika kita menggunakan antena dengan ukuran 0.25 -0.5 , biasanya akan mendapat pengarahan kecil dari 3 dBKita tidak dapat membuat antena kecil dari 0.25 tanpa mengorbankan efisiensi dan bandwidth antenaSebaliknya, antena dengan ukuran besar (>> ), maka antena ini akan memiliki pengarahan yang tinggi, seperti antena parabola dan antena hornPengarahan (direktivitas) contohTentukan pengarahan untuk antena dengan pola radiasi sebagai berikut: U(,) = E02 sin2/2Efiesiensi AntenaBerhubungan dengan daya yang disalurkan oleh antena dan daya yang diradiasikan oleh antenaSemakin tinggi efisiensi antena berarti semakin banyak daya yang inputkan ke antena yang diradiasikan oleh antena tersebutAntena dengan efisiensi rendah berarti lebih banyak daya yang diserap oleh antena dan menjadi loss (hilang) dalam antena, atau dipantulkan balik karena impedansi yang tidak match, dibandingkan banyaknya daya yang diradiasikan.Beberapa jenis loss pada antena: Loss konduksi disebabkan konduktivitas antenaLoss diaklektrik disebabkan konduktivitas dalam bahan diaklektrik antena

Efiesiensi AntenaEfisiensi antena ditulis sebagai perbandingan antara daya yang diradiasikan dan daya yang dicatukan ke antena:

Efisiensi 50 % berarti daya yang diradiasikan adalah setengah dari daya yang dicatukan ke antenaEfisiensi 50 % ditulis juga 0.5 atau -3 dBEfesiensi diatas juga disebut efesiensi radiasiAda juga istilah efisiensi total yaitu: efesiensi radiasi dikalikan dengan loss missmatch impedansi antena loss missmatch impedansi antena adalah loss yang disebabkan tidak match-nya impedansi antena dengan impedansi perangkat yang terhubung dengan antena

Efiesiensi AntenaJika adalah efisiensi total, loss antena karena impedansi mismatch, dan efisiensi radiasi antena maka : biasanya antara 0 dan 1 sehingga efisiensi total selalu lebih kecil dari efisiensi radiasi efisiensi bisa mendekati 100% untuk antena piringan (dish), antena horn, dan dipole setengah lamda jika tidak benda-benda lossy disekitar nyaAntena HP, antena WiFi biasanya memiliki efisiensi 20-70%Loss biasanya disebabkan elektroniks dan materi disekitar antena yang cendrung menyerap daya yang diradiasikan oleh antena dan mengubahnya menjadi panas, dan mengurangi efisiensi antenaAntena radio mobil, efesiensinya sangat rendah yaitu 1 %, karena antena ini lebih kecil dari setengah lamdaAntena ini tetap digunakan karena stasiun AM memancarkan daya yang tinggi

Penguatan (Gain) AntenaGain adalah seberapa banyak daya ditransmisikan pada arah puncak radiasi dibandingkan dengan sumber isotropikIstilah gain lebih sering dipakai dalam hal praktis dibandingkan pengarahanGain 3 dB berarti daya yang diterima oleh antena adalah 3 dB (dua kali lipat) lebih tinggi dibandingkan daya yang diterima oleh sebuah antena isotropikGain sering juga sebagai fungsi sudut arah, tetapi jika tidak diketahui sudut arahnya , itu artinya gain pada arah puncak radiasi.

Penguatan (Gain) AntenaJika G adalah Gain, maka:Gain antena bisa mencapai 40-50 dB untuk antena parabola (disc), bisa juga serendah 1,76 dB, tapi secara teori tidak pernah lebih kecil dari 0 dB. Tetapi gain antena bisa sangat kecil dikarenakan loss yang tinggi dan efesiensi yang rendah, bisa sampai sebesar -10 dB

Lebar Pancaran (beamwidth)Misalnya sebuah antena memiliki pola radiasi

Gambarnya berbentuk sbb:

Lebar Pancaran (beamwidth)Pancaran utama (main beam) adalah daerah disekitar arah radiasi maksimum (daerah diantara puncak radiasi dan 3 dB). Disebut juga main lobe. Mainlobe pada gambar berpusat di 900Pancaran sisi (sidelobe) adalah pancaran yang lebih kecil dari pancaran utama. Biasanya pancaran sisi ini mengarah kearah yang tidak diinginkan, dan tidak pernah bisa dihilangkan, yang bisa adalah diminimumkan. Side loba gambar adalah 450 dan 1350Lebar pancaran setengah daya (Half Power beamwidth) adalah jarak sudut dimana magnitude dari pola radiasi berkurang 50% (-3dB) dari puncak pancaran utama. Pada gambar pola berkurang -3dB pada 77.7 dan 102.3 derajat, sehingga HPBW adalah 102.3-77.7 = 24.6 derajat

Lebar Pancaran (beamwidth)Null to Null beamwidth (lebar pancaran nol ke nol) adalah jarak sudut dimana magnitude dari pola radiasi berkurang sampai nol. Pada gambar , pola berkurang sampai nol adalah pada 60 dan 120 derajat, sehingga NNBW adalah 120-60 =60Level pancaran sisi (sidelobe) digunakan untuk menentukan karakteristik pola radiasi. Level Sidelobe adalah nilai maksimum dari sidelobe, yang pada gambar adalah -14.5 dBImpedansi AntenaImpedansi antena adalah hubungan antara tegangan dan arus pada input antenaInpedansi 50 ohm berarti jika ada teganan sinus 1 volt pada input antena, arus akan memiliki amplituda 1/50=0.02 amper. Karena impedansi real maka arus dan tegangan akan satu fasaJika impedansi Z= 50+j*50 ohm, magnitude impedansi adalah dan fasa

ini artinya arus akan tertinggal 450 dari tegangan

Impedansi AntenaJika ada tegangan (dgn frekuensi f) pada input antena

maka arus akan : Jadi konsep impedansi sederhana saja, yaitu nilai yang menghubungkan tegangan dan arusNilai real dari impedansi merepsentasikan daya yang diradiasikan oleh antena keluar atau daya yang diserap oleh antena.Nilai imajiner memrepresentasikan daya yang disimpan pada medan dekat Antena dengan nilai real saja (imaginer=0), disebut resonant Impedansi antena akan berubah terhadap frekuensi

Impedansi AntenaFrekuensi rendahJika kita menggunakan frekuensi rendah, saluran transmisi dari transmiter atau receiver ke antena adalah pendekPendek dalam istilah antena adalah relatif terhadap panjang gelombangPada frekuensi 60 Hz, panjang gel 3100mil, sehingga saluran transmisi bisa dikatakan pendek bahkan diabaikanAkan tetapi, pada frekuensi 2 GHz, panjang gel 15 cm, sehingga sedikit penambahan panjang saluran transmisi pada antena akan dianggap sebagai panjangBiasanya panjang saluran yang lebih kecil dari 10 kali panjang gelombang, dinyatakan sebagai saluran pendekImpedansi AntenaJika sebuah antena dihubungkan dengan sumber tegangan, dimana ZA adalah impedansi antena dan ZS adalah impedansi sumber. Rangkaian ekivalen adalah sbb:

Daya yang dialirkan ke antena dapat dihitung pakai konsep teori rangkaian dimana P=I x V

Impedansi AntenaDari persamaan tersebut, dapat diketahui bahwa jika ZA sangat kecil dibanding ZS, maka tidak ada daya yang masuk ke antena, begitu juga jika ZA sangat besar dibanding ZS, maka tidak ada daya yang masuk ke antenaUntuk mendapatkan transfer daya maksimum dari sumber ke antena, maka nilai ideal untuk impedansi antena adalah ZA=ZS*Tanda * menyatakan konyugat kompleks, jadi jika ZS=30+j*30, maka untuk mendapatkan transfer daya maksimum ZA=30-j*30Biasanya impedansi sumber adalah real, sehingga diperlukan ZA=ZSImpedansi adalah salah satu parameter penting dalam disain antena

Impedansi AntenaFrekuensi tinggiPada frekuensi rendah, panjang saluran transmisi tidak menjadi masalah Pada frekuensi tinggi, ketika panjang saluran transmisi adalah beberapa kali panjang gelombang, teori rangkaian listrik sudah tidak berlaku.Sebagai contoh: short-circuit akan memiliki impedansi nol, tapi pada frekuensi tinggi sebuah short-circuit pada jarak *lamda akan memiliki nilai impedansi tidak hinggaImpedansi antena harus match dengan impedansi saluran transmisi dalam rangka transfer daya maksimumImpedansi AntenaImpedansi akan diukur pada ujung saluran transmisi (dengan impedansi karakteristik Zo dan panjang L). Ujung saluran transmisi disambung pada antena dgn impedansi ZA seperti gambar

Berdasarkan teori saluran transmisi, impedansi input Zin adalah

Impedansi AntenaTerlihat bahwa Zin adalah fungsi jarak L sehingga analisa menjadi sulitTetapi ada kemudahan, yaitu jika sebuah antena match dengan saluran transmisi (ZA=Zo), maka impedansi input tidak tergantung dari jarak LJika antena tidak match, maka impedansi input akan bervariasi terhadap jarak L, dan jika impedansi input tidak match dengan impedansi sumber, maka daya akan banyak yang dipantulkan balik ke sumber, sehingga daya tidak banyak yang ditransfer sampai ke antenaLoss seperti ini disebut ketidaksesuaian impedansi (impedance mismatch)Impedansi AntenaParameter yang biasa digunakan untuk menggambarkan seberapa match antena terhadap saluran transmisi atau sumber adalah VSWR (voltage standing wave ratio)VSWR selalu > 1, nilai 1 mengindikasikan tidak ada mismatch loss (antena secara sempurna match dengan saluran transmisi), semakin tinggi VSWR maka akan semakin tinggi mismatch lossVSWR = 3 berarti 75% daya tersalur keantena (1.25 dB mismatch loss), VSWR=7 berarti 44% daya tersalur keantena (3.5 dB mismatch loss)Day a yg dipantulkan oleh antena pada saluran transmisi akan bercampur dengan daya yang menuju antena, ini menghasilkan gelombang tegangan berdiri (voltage standing wave) yang nilainya diukur oleh parameter VSWRLebar Pita (bandwidht) AntenaMenggambarkan jangkauan frekuensi pada mana atena dapat secara baik meradiasikan atau menerima sinyalBiasanya bandwidth ditentukan dari VSWR. Sebagai contoh, sebuah antena dikatakan beroperasi pada frekuensi 100-400 MHz dengan VSWR