PERANCANGAN ANTENA QUADRIFILAR HELICOIDAL PADA BAND FREKUENSI UHF TV ( MHz)

Transkripsi

1 PERANCANGAN ANTENA QUADRIFILAR HELICOIDAL PADA BAND FREKUENSI UHF TV ( MHz) Deddy Setiadji [1], Agung Budi P., ST., MIT. [2], Yuli Christiyono, ST., MT. [2] Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jln. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia Abstrak Antena merupakan piranti transmisi yang penting dalam system penerima sinyal televisi, sebab tidak dimungkinkan lagi jika kabel tembaga digunakan sebagai saluran transmisinya yang terbatas akan jarak.antena televisi yang ada di pasaran sekarang ini sudah banyak jenis nya, namun belum ada antena televisi jenis Helix baik sebagi antena luar (outdoor) maupun antena dalam (indoor) yang beredar. Oleh karena itu muncul gagasan untuk merancang antena penerima televisi Quadrifilar Helicoidal yang merupakan tipe antena jenis Helix dengan frekuensi kerja pada band UHF TV (300MHz 800MHz). Sehingga dengan adanya antena Quadrifilar Helicoidal diharapkan dapat menambah daftar jenis antena televisi di pasar. Perancangan dan pengukuran bentuk fisik merupakan langkah awal dalam tugas akhir ini. Langkah berikutnya yaitu pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal. Langkah selanjutnya adalah pengujian terhadap beberapa parameter penting diantaranya frekuensi kerja, VSWR, dan pola radiasi serta di ujikan secara langsung pada pesawat televisi. Pengujian juga diperlakukan pada antena yang telah beredar dipasaran sebagai bahan perbandingan. Dari hasil pengujian, antena Quadrifilar Helicoidal beresonansi pada frekuensi 540 Mhz, sedangkan frekuensi yang diharapkan 550 Mhz. Pola radiasi antena Quadrifilar Helicoidal berbentuk lingkaran yang merupakan tipe dari antena isotropis dan bentuk fisik nya tidak terlalu besar, sehingga antena Quadrifilar Helicoidal cocok digunakan sebagai antena dalam (indoor). Untuk pengujian dengan menggunakan pesawat televisi yang dilakukan di semarang, antena Quadrifilar Helicoidal memiliki kualitas penerimaan yang baik. kata kunci: UHF, antena, Televisi, quadrifilar helicoidal, helix, penerima I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Dewasa ini perkembangan teknologi telekomunikasi semakin berkembang pesat, baik berupa audio, maupun audio visual. Dimulai dari pembangunan jaringan pemancar radio yang merupakan komunikasi audio, hingga dikembangkan nya komunikasi dengan gambar bergerak dan suara yang merupakan komunikasi audio visual. Salah satu alat yang berperan penting dalam memancarkan dan menerima gelombang radio adalah antena. Semakin presisi parameter-parameter yang terlibat dalam perencangan antena maka akan semakin bagus pula sinyal yang diterima pada antena penerima. Pada Tugas Akhir ini akan dirancang antena Quadrifilar Helix atau Quadrifilar Helicoidal sebagai antena penerima (reciever) yang akan di gunakan pada band frekuensi MHz yaitu band frekuensi UHF pada stasiun televisi. Dipasaran sering dijumpai antena UHF dengan bentuk Dipole dan Monopole yang merupakan antena segala arah (omni directional), maupun antena Yagi yang pemasangannya harus diarahkan pada arah tertentu (directional). Antena Quadrifilar Helicoidal merupakan antena yang memiliki pola radiasi ke segala arah sehingga dalam pemakaiannya, antena jenis ini tidak perlu diarahkan ke arah tertentu. Skema dari antena ini telah digunakan pada pesawat penerima GPS (Global Potitioning Service) Garmin. Dengan perancangan antena Quadrifilar Helicoidal diharapkan antena ini dapat diaplikasakan pada penerimaan sinyal pesawat televisi. Kualitas antena dapat diketahui dengan melakukan pengujian atas parameter-parameter yang meliputi Pola Radiasi, Frekuensi Kerja dan VSWR, Sehingga diharapkan sinyal yang di terima lebih baik dengan menggunakan antena hasil perancangan tesebut. 1.2 Tujuan Tujuan dari tugas akhir ini adalah merancang dan menguji antena Quadrifilar Helicoidal pada band frekuensi UHF Televisi yaitu MHz di sisi penerima. 1.3 Pembatasan masalah Pada Tugas Akhir ini pembahasan akan dibatasi pada hal-hal berikut ini : 1. Antena yang dirancang adalah antena penerima pada band frekuensi UHF televisi yaitu MHz dengan frekuensi tengah 550 MHz. 2. Antena yang di rancang merupakan antena Quadrifilar Helicoidal ½λ setengah putaran. 3. Parameter-parameter yang diuji adalah Frekuensi Kerja, Pola Radiasi, dan VSWR. II. TEORI DASAR ANTENA 2.1 P engertian Antena Salah satu perangkat yang digunakan untuk proses transmisi dan penerimaan sinyal Radio Frekuensi (RF) adalah antena. Oleh karena itu antena dapat didefinisikan menurut penggunaannya. Jika antena digunakan sebagai antena pemancar maka antena adalah konduktor yang mengubah arus listrik frekuensi radio menjadi gelombang elektromagnetik yang kemudian dipancarkan. Sedangkaan jika antena digunakan sebagai antena penerima maka antena adalah konduktor yang mengubah gelombang elektromagnetik menjadi arus listrik frekuensi radio. 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro UNDIP 2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro UNDIP

2 Baik antena pemancar maupun antena penerima mempunyai prinsip kerja yang sama, meskipun secara fungsi berbeda. Fungsi utama antena adalah sebagai penyesuai impedansi atau sebagai saluran transisi antara saluran transmisi dengan udara/ruang hampa dan mengarahkan radiasi gelombang elektromagnetik ke arah yang diinginkan atau menekan radiasi yang tidak diinginkan. Dalam kaitan nya antena sebagai transisi antara saluran transmisi dan udara maka perlu di ketahui pula proses lepas nya sinyal dari saluran transisi ke udara. Proses tersebut dapat di gambarkan dengan menghubungkan suatu antena dengan sumber sinyal melalui saluran atau kabel transmisi. Sinyal yang di keluarkan dari sumber sinyal akan mengalir ke saluran transmisi sehingga menimbulkan medan listrik di antara konduktorkonduktornya. Medan listrik berhubungan dengan garisgaris gaya listrik. Garis-garis gaya listrik cenderung bereaksi pada elektron-elektron bebas. Garis-garis gaya listrik keluar dari muatan-muatan positif dan berakhir di muatan-muatan negatif. Dengan adanya garis-garis gaya listrik akan menimbulkan medan listrik di sekitar penghantar. Adanya medan listrik akan menimbulkan intensitas medan magnet. Jika diasumsikan sinyal yang keluar dari sumber sinyal berupa sinusoida, maka medan listrik di sepanjang saluran transmisi juga berupa sinusoida dengan periodeperiode yang sama dengan periode sumber sinyal. Besarnya intensitas medan listrik relatif akan ditunjukan oleh rapat garis-garis gaya dengan anak panah yang menunjukan arah positif dan negatif. Timbulnya medan listrik dan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu, di antara konduktorkonduktor membentuk gelombang elektromagnetik yang menjalar sepanjang kabel transmisi. Gelombang elektromagnetik mengalir menuju antena. Seperti yang terlihat pada gambar 2.1. Pada antena, gelombang elektromagnetik masih di bentuk oleh muatan-muatan yang berada pada konduktor nya. Saat sinyal dilepaskan, garis-garis gaya listrik keluar dari muatan-muatan positif dan berakhir di tak hingga dan juga keluar dari tak hingga dan berakhir di muatan-muatan negatif sehingga diasumsikan membentuk suatu loop-loop tertutup keluar atau berakhir pada suatu muatan. Gelombang ruang bebas juga berbentuk periodik. Titik Po berfase konstan bergerak kearah luar antena dengan kecepatan cahaya dan merambat sampai P1 sejauh ½λ dalam waktu setengah periode sinyal. Demikian pula dari P1 menuju ke P2 bergerak setengah periode seperti yang terlihat pada gambar 2.1. pada gambar 2.2 terlihat sinyal-sinyal yang telah lepas dari antena ke udara. Gambar 2.2 Radiasi gelombang elektromagnetik dari suatu antena Bila sebuah jalur transmisi terhubung dengan sebuah antena Dipole, maka Dipole tersebut akan berlaku sebagai antena karena melepaskan gelombang elektromagnetik ke ruang hampa. Dipole juga bisa dianggap sebagai bagian dari jalur transmisi yang terbuka, selain itu Dipole juga dapat menunjukan beberapa karakter dari resonator, sebab energi yang dipantulkan dari ujung Dipole melahirkan gelombang pembawa dan menyimpan energi didekat antena. Sehingga dalam kasus ini Dipole menunjukan karakter yang simultan sebagai antena, jalur transmisi dan resonator yang ditunjukan pada gambar 2.3. Gambar 2.3 Dipole sebagai antena 2.2 Panjang Gelombang Panjang Gelombang merupakan komponen yang paling penting dalam mendesain antena. Untuk menentukan panjang antena yang akan didesain maka harus diketahui lebih dahulu frekuensi acuan antena. Frekuensi acuan merupakan frekuensi kerja dari antena yang akan dirancang. Jika akan dirancang sebuah antena dengan band yang telah ditentukan, maka frekuensi acuan adalah setengah dari frekuensi lebar pitanya. Antena memiliki frekuensi resonansi. Bentuk dasar sebuah antena adalah ½λ (Half Wave Antena). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi dapat dirumuskan : C F dengan : λ C F = Panjang gelombang (m) = Kecepatan cahaya ( m/s) =Frekuensi (Hz) Gambar 2.1 Konsep dasar antena 2

3 2.3 Pola Radiasi Antena Pola radiasi adalah penggambaran pancaran energi antena sebagai fungsi koordinat ruang seperti pada gambar 2.4. Antena terletak pda titik asal koordinat ruang (0,0,0). Pancaraan energi tersebut adalah intensitas medan listrik dan daya Half Power BeamWidth (BW) merupakan lebar berkas di antara sisi-sisi mayor lobe yang memiliki nilai daya setengah dari nilai daya mayor lobe. Sedangkan First Null Beamwidth adalah lebar berkas di antara sisisisi mayor lobe yang memiliki nilai daya nol. Tampak pada gambar 2.5 sudut BW yang terbentuk lebih kecil dari FNBW. BW dan FNBW dinyatakaan dalam satuan derajat sudut. Sudut ruang sering pula dijelaskan mendekati sudut yang dibentuk oleh daya setengah dari main lobe dalam dua ruang utama, yang besarnya ( sr). (2.2) = lebar berkas setengah daya (half dengan dan power beamwidth = BW). Gambar 2.4 Pola radiasi antena Berdasarkan pola radiasinya, antena dapat di kelompokan menjadi dua jenis, antara lain : 1. Antena terarah (directional), yaitu antena yang mampu memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik pada arah tertentu. 2. Antena tidak terarah / segala arah (omni directional), yaitu antena yang pancaran energinya atau penerimaan energinya ke segala arah. Sebagai variasi pola radiasi dikenal istilah lobe yang menggambarkan pola radiasi pada antena. Lobe terdiri dari berbagai macam jenisnya, antara lain : 1. Mayor lobe (main lobe), adalah bagian dari pola radiasi yang memiliki nilai intensitas radiasi paling besar. Mayor lobe merupakan pola radiasi yang dikehendaki. Pada gambar 2.4 digambarkan Mayor lobe adalah bagian dari kurva yang paling besar. Tegak vertikal sejajar sumbu z 2. Minor lobe, adalah bagian dari pola radiasi yang nilai intensitas radiasinya kecil. Minor lobe terdiri dari side lobe dan back lobe yang merupakan pola radiasi yang tidak dikehendaki. 3. Side lobe, adalah bagian dari minor lobe yang terletak disamping mayor lobe dan merupakan minor lobe yang terbesar. 4. Back lobe, adalah bagian dari minor lobe yang memiliki arah pola radiasi berlawanan dengan mayor lobe Half Power Beamwidth (BW) dan First Null Beamwidth (FNBW) Gambar 2.5 Lobe dan lebar berkas pola radiasi antena Gambar 2.6 Pola medan antena dengan sistem koordinat rectangular Untuk menunjukkan lebih jelas mengenai minor lobe, pola radiasi antena dapat disajikan dalam koordinat rectangular, seperti pada Gambar 2.6, dengan nilai daya radiasi antena dalam decibel adalah logaritma 10 dari Pn (, ). Nilai daya maksimum pada mayor lobe dapat menunjukkan kualitas pemancaran atau penerimaan suatu antena yang disebut efisiensi berkas (beam efficiency). Efisiensi berkas merupakan perbandingan daya pada mayor lobe dengan daya total antena Ketrarahan dan Penguatan Keterarahan (Directivity) merupakan penggambaran dari arah pancar atau arah terima gelombang elektromagnatik dari suatu antena. Keterarahan ini dapat dilihat dari bentuk pola radiasi dari suatu antena. Keterarahan dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut D 4 (2.3) Jika daya radiasi sama baik pada semua arah atau Pn(, ) 1 untuk semua dan, maka sama dengan 4, sehingga diperoleh D = 1. Nilai tersebut adalah keterarahan untuk sumber isotropis dan merupakan nilai terkecil yang mampu dimiliki antena. Maka harus selalu sama dengan atau lebih kecil dari 4, sedangkan keterarahan harus selalu sama dengan atau lebih besar dari 1. Dengan memasukkan Persamaan 2.2 ke Persamaan 2.3 akan diperoleh 3

4 D dengan :, rad, rad, deg (2.4) = lebar berkas setengah daya pada daerah = lebar berkas setengah daya pada daerah = lebar berkas setengah daya pada daerah = lebar berkas setengah daya pada daerah, deg Bila diubah dalam skala logaritmik, satuan D adalah dbi. Misal D suatu antena adalah 20 dbi berarti antena tersebut meradiasikan daya pada arah main lobe maksimum yang besarnya (10 20 /10 ) atau 100 kali lebih besar dibandingkan bila diradiasikan oleh antena isotropis pada daya masukan yang sama. Penguatan (Gain) merupakan besaran nilai yang menunjukkan adanya penambahan level sinyal dari sinyal masukan menjadi sinyal keluaran. Penguatan bergantung pada keterarahan dan efisiensi. Semakin tinggi keterarahannya maka semakin besar pula penguatannya, ditunjukkan pada persamaan berikut ini G k. D (2.5) dengan : k = faktor efisiensi dari antena Pada kenyataan nya untuk mengetahui gain antena bukan hal yang mudah. Sebab faktor efisiensi ini susah untuk diketahui nilainya. Namun ada suatu metode pengukuran dengan membandingkan antena yang akan di uji dengan antena isotropis yang memiliki gain=1. Pada kenyataan nya antena isotropis ini belum bisa di realisasikan, sehingga untuk mengetahui gain suatu antena, di butuhkan antena lain yang nilai gain nya sudah diketahui. Dari pendapat bapak Ono W Purbo, pengukuran tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut: Gain Antena = Y X + 3dBi dB (2.6) Keterangan: Y : sinyal yang diterima dengan menggunakan antena prototype (dbm) X : sinyal yang diterima dengan menggunakan antena referensi (dbm) 3 dbi : gain antena referensi yang sebelum nya telah diketahui 0,25dB: redaman pigtail 2.6. Polarisasi Antena Arus yang mengalir pada batang konduktor akan menghasilkan medan magnet disekitarnya (hukum Biot Savart). Perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik (hukum Faraday). Perubahan medan listruk diduga menghasilkan medan magnet (Hipotesa James Clark Maxwell, 1864). Hipotesa tersebut dapat dibuktikan oleh Heinrich Rudoph Hertz ( ) dari jerman, dengan menghasilkan gelombang elektromagnetik atau gelombang radio. Gelombang elektromagnetik terdiri atas gelombang listrik dan gelombang magnet, yang saling tegak lurus. Keduanya terletak secara tegak lurus pada arah rambatan gelombang, yang ditunjukan pada gambar 2.7 Gambar 2.7 Gelombang Elektromagnetik Keterangan : E : Arah medan listrik B : Arah medan magnet F : Arah rambatan gelombang elektromagnetik Polarisasi gelombang elektromagnetik tergantung pada medan listriknya. Medan listrik sejajar dengan antena, sedangkan medan magnet tegak lurus terhadap antena. Posisi antena penerima harus sejajar dengan medan listrik atau tegak lurus terhadap arah medan magnet agar dapat menangkap daya semaksimal mungkin dari pemancar. Jika antena pemancar terletak vertikal, maka polarisasi gelombang elektromagnetik nya kearah vertikal. Pada antena vertikal, pancaran kesegala penjuru sama kuat, sama jauh dan dayanya sama besar. Jika antena terletak horisontal atau mendatar, maka polarisasi gelombang elektromagnetnya ke arah horisontal, pada antena horisontal pancaran terkuat ada pada garis yang tegak lurus pada sumbu antena. (b) (a) Gambar 2.8 Polarisasi pada antena (a) Polarisasi pada antena vertikal (b) Polarisasi pada antena horisontal Polarisasi antena pada suatu arah didefinisikan sebagai polarisasi gelombang yang diradiasikan bila antena sebagai pemancar atau polarisasi gelombang datang yang menghasilkan daya terbesar pada terminal antena bila antena sebagai penerima (Balanis, 1982 : 48). Dengan catatan jika arah antena tidak ditentukan, maka polarisasi ditentukan pada polarisasi pada arah yang menghasilkan gain maksimum. Dimana polarisasi dari gelombang teradiasi merupakan sifat-sifat radiasi gelombang elektromagnetik yang menggambarkan perubahan arah dan besar relatif vektor medan listrik sebagai fungsi waktu. Jika vektor yang dilukiskan pada suatu titik sebagai fungsi waktu selalu terarah pada satu garis, medan ini dikatakan terpolarisasi linier, seperti yang dilukiskan pada gambar 2.9 4

5 Dalam keadaan tertentu, vektor medan listrik dapat berputar terhadap garis rambatan. Ini disebabkan oleh interaksi gelombang dengan medan magnet bumi pada lapisan F 2 dari ionosfer. Perputaran vektor listrik dapat juga dihasilkan oleh jenis antena yang digunakan. Alur yang digambarkan oleh ujung dari vektor medan listrik bisa berbentuk elips dan disebut polarisasi elips yang diilustrasikan.pada gambar Suatu keadaan khusus dari polarisasi elips ialah polarisasi lingkaran. (a) (b) Gambar 2.9 Polarisasi linier (a) polarisasi linier dilihat pada sumbu pancaran (b) Polarisasi linier dilihat pada arah rambatan Gambar 2.10 Polarisasi elips v tegangan _ pantul Vr tegangan _ datang V i VSWR 1 VSWR 1 (2.7) Koefisien pantul dapat juga dihitung atau ditentukan dari nilai impedansi terminal ( Z L ) dan impedansi karakteristik saluran transmisi Z ). Sehingga didapat persamaan sebagai berikut Z L O ( O L O (2.8) Z Z Z Dari Persamaan 2.7 didapat pula persamaan untuk VSWR, yaitu 1 1 VSWR (2.10) Sehingga dari Persamaan 2.9 dan Persamaan 2.10 didapat persamaan VSWR sebagai berikut Z L VSWR untuk L Z O Z O untuk Z Z dan VSWR Z Z Z (2.11) 2.8. Quadrifilar Helicoidal Quadrifilar Helicoidal adalah suatu antena yang terbuat seolah-olah dari dua antena bifilar helix yang duhubungkan dengan sudut 90 derajat. Bentuk dasar dari antena ini dikembangkan oleh Dr. C. C. Kilgus di Johns Hopkins University Quadrifilar helicoidal memiliki pola radiasi yang omnidirectional. Parameter-parameter yang perlu diperhatikan dalam pembuatan benda kerjanya adalah tinggi antena atau axis ( lenp ), diameter antena (D), jumlah putaran, frekuensi kerja, perimeter (keliling dari bifilar loop) dan perbandingan antara tinggi antena (aksis) dengan diameternya O L O L Gambar 2.11 Polarisasi lingkaran 2.7. Impedansi Terminal Antena Impedansi masukan adalah impedansi yang ditunjukkan oleh antena pada terminalnya atau nilai perbandingan antara tegangan dan arus pada terminal antena atau nilai perbandingan antara komponen medan listrik dan medan magnet pada suatu titik. Setiap impedansi antena ( Z ) yang dihubungkan dengan saluran transmisi akan menghasilkan gelombang pantul dengan koefisien pantulan dan perbandingan tegangan gelombang berdiri (VSWR) v sebagai berikut 5 Gambar 2.12 Loop bujur sangkar dengan keliling = λ Sebagi pengantar, akan dibahas bifilar loop, dengan panjang gelombang ½ λ dan setengah putaran. Untuk membuat bifilar loop, diawali dengan membuat

6 loop kotak atau bujur sangkar dengan keliling (perimeter) = panjang gelombangnya (λ) seperti terlihat pada gambar setiap sisi dari bujur sangkar memiliki panjang λ/4. sebagai umpan ke terminalnya yang dihubungkan pada loop bagian bawah yang terbuka. lene atau l E merupakan bagian dari radiatornya dengan panjang mulai dari umpan terminal menuju ke atas dan berhenti dibagian tengahnya. Panjang lene adalah λ/2, sehingga konfigurasi ini disebut bifilar loop bujursangkar ½ λ dengan nol putaran. Bifilar loop bujur sangkar, diputar bagian atasnya setengah putaran (180 derajat) dengan mengasumsikan bagian tengah terdapat tabung yang memiliki diameter ¼ λ sehingga seperti tabung yang dililit dengan dua kawat. Setiap dua sisi vertikal menjadi setengah putaran helix. Dengan melakukan pemutaran ini, maka panjang diameter dan tingginya akan menyusut seperti yang terlihat pada gambar Untuk membangun Quadrifilar helicoidal, yaitu dengan menghubungkan dua bifilar tersebut. Berdasarkan dari penelitian RCA s Astro-Electronics Division in Princeton, New Jersey atau bisa diakses melalui dua bifilar helix yang akan dihubungkan memiliki tinggi dan diameter yang berbeda. Untuk diameter dan tinggi yang lebih besar disebut larger loop dan yang kecil disebut smaller loop. Quadrifilar helicoidal ½ λ dan ½ putaran, parameter larger loop dan small loop dirumuskan sebagai berikut : Larger loop: D : 0,173 λ (2.12) lenp : 0,260 λ (2.13) Perimeter : 1,120 λ (2.14) Smaller loop: D : 0,156 (2.15) lenp : 0,238 (2.16) Perimeter : 1,016 (2.17) Keterangan: D lenp perimeter : diameter loop panjang aksis (tinggi loop) : keliling dari bifilar loop. l p : tinggi bifilar helix ( lenp ) D : diameter bifilar helix. l E : Panjang radiator / filar. Gambar 2.13 Bifilar helix ½ λ Perimeter juga dapat diartikan sebagai panjang kawat yang akan digunakan untuk membuat bifilar loop atau panjang keliling loop bifilar yang akan di buat.. Quadrifilar Helicoidal tidak memerlukan ground plane dalam pemakaiannya sehingga dapat menghemat tempat dalam pemasangannya. Antena jenis ini telah digunakan pada satelit TIROS-N dan NOAA buatan RCA. Pada Tugas akhir ini akan dibuat perancangannya pada frekuensi televisi sehingga dimensinya lebih besar dan hasil dari pembuatan antena ini dapat langsung diamati dalam kehidupan sehari hari yaitu pada pesawat televisi. Pada gambar 2.14 merupakan gambar antena Quadrifilar Helicoidal disertai dengan salah satu dari metode pemberian umpan pada antena ke kabel koaxial. Loop-loop dari antena pada gambar terbuat dari kabel coaxial. III. PERANCANGAN ANTENA QUADRIFILAR HELICOIDAL 3.1 Perancangan Antena Quadrifilar Helicoidal Dalam merancang suatu antena Quadrifilar Helicoidal terlebih dahulu ditentukan parameternya. Adapun parameter yang harus diperhatikan adalah sebagai berikut 1. Frekuensi kerja dan lebar pita yang diinginkan 2. Diameter Antena 3. Panjang Aksis Antena 4. perimeter Antena 5. feed point (titik umpan) Gambar 2.14 Antena Quadrifilar Helicoidal 3.2. Penentuan Frekuensi Kerja Antena Setiap antena memiliki frekuensi kerja, antena Quadrifilar Helicoidal pada tugas akhir ini dirancang pada 6

7 frekuensi kerja UHF TV. Rentang frekuensi pada UHV TV berkisar antara 300 MHz 800 Mhz. Maka frekuensi tengahnya yang merupakan frekuensi kerjanya (Fc) dapat dicari dengan menggunakan rumus: fu fl fc fl fc fc 550 MHz Keterangan: fc : Frekuensi tengah (Hz) fl : Frekuensi bawah (Hz) fu : Frekuensi atas (Hz) 3.3. Penentuan Panjang Gelombang (λ) Panjang gelombang berhubungan dengan frekuensi kerja, semakin besar frekuensi kerja maka panjang gelombang nya akan semakin kecil. Panjang gelombang berperan dalam penentuan besar nya dimensi antena. Perhitungan panjang gelombang pada perancangan antena Quadrifilar Helicoidal setengah putaran λ/2 adalah : C f 8 3x10 m / s 6 550x10 Hz 0, m 545,454 mm Keterangan: λ : Panjang gelombang (m) C : kecepatan cahaya ( m/s) f : Frekuensi (Hz) 3.4. Penentuan Diameter Antena Antena Quadrifilar Helicoidal diasumsikan tersusun atas dua loop bifilar, yang masing-masing memiliki diameter loop yang berbeda. Loop yang kecil disebut Smaller loop dan yang besar dsebut Larger Loop. a. Smaller Loop Untuk menentukan diameter smaller loop digunakan perhitungan sebagai berikut: D 0,156 D 0,156 x545,454mm D 85,090mm b. Larger loop Untuk menentukan diameter Larger Loop digunakan perhitungan sebagai berikut: D 0,173 D 0,173 x 545,454 mm D 94,364 mm Keterangan: D : Diameter Loop (mm) λ : Panjang gelombang (mm) 3.5. Penentuan Panjang Aksis Antena a. Smaller Loop Panjang aksis Smaller Loop dapat ditentukan melalui perhitungan sebagai berikut: lenp 0,238 lenp 0,238 x 545,454 mm lenp 129,818 mm b. Larger loop Sedangkan perhitungan panjang aksis Larger Loop nya adalah sebagai berikut: lenp 0,260 lenp 0,260 x 545,454 mm lenp 141,818mm Keterangan: lenp : Panjang Aksis (mm) λ : Panjang gelombang (mm) 3.6. Penentuan Perimeter Perimeter merupakan keliling loop atau merupakan panjang keseluruhan konduktor yang di butuhkan. a. Smaller Loop Panjang perimeter Smaller Loop dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: Perimeter 1,016 Perimeter 1,016 x 545,454 mm Perimeter 554,182 mm Perimeter 55,418cm b. Larger Loop Sedangkan perhitungan panjang perimeter Larger Loop nya adalah sebagai berikut: Perimeter 1,120 Perimeter 1,120 x 545,454 mm Perimeter 610,909 mm Perimeter 61,091cm 3.7. Feed Point (titik Umpan) Feed Point atau titik umpan merupakan suatu titik pusat dimana pada titik tersebut terdapat hubungan di antara konduktor yang satu dengan yang lain nya. Feed point ini berada pada bagian atas antena Quadrifilar Helicoidal Gambar 3.1 titik umpan 7

8 S1 dan S2 merupakan komponen pembentuk smaller loop, sedangkan L1 dan L2 merupakan komponen pembentuk larger loop, dengan panjang sesuai pada perhitungan perimeter. Gambar 3.2 Koneksi BNC Gambar 3.2 merupakan hubungan antara filarfilar dengan BNC yang berada pada bagian bawah antena. Pada filar smaller loop terhubung langsung, sedangkan pada filar larger loop terhubung pada konektor BNC Gambar 3.3 gabungan inti dan outer Gambar 3.3 merupakan bentuk ujung smaller loop yang berada pada feed point juga merupakan ujung salah satu filar larger loop yang berada pada feed point dan koneksi ke BNC konektor Pemilihan Bahan Sebagai konduktornya dipilih kawat tembaga, sebab kawat tembaga relatif mudah didapatkan di pasaran dan memiliki konduktivitas yang cukup tinggi yaitu sebesar 7 5,8010 mho/m, sebagaimana ditunjukkan dalam tabel nilai konduktivitas berbagai macam bahan dibawah ini. Tabel 3.1 Sifat-sifat beberapa konduktor Hal yang perlu diperhatikan yaitu diameter konduktor, pada pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal besar diameter konduktor sama dengan diameter kabel coaxial yang digunakan sebagai feed point (titik umpan) nya. Perhitungan besarnya diameter konduktor dapat diperoleh : d 0,0088 d 0,0088 x 545,454 mm d 4,799 mm Keterangan: d : diameter konduktor antena (mm) λ : Panjang gelombang (mm) 3.9. Pembuatan Antena Quadrifilar Helicoidal Setelah menentukan parameter, langkah selanjutnya adalah pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal. Ada beberapa bahan yang digunakan untuk pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal, antara lain, yaitu: 1. kabel koaxial dengan diameter outer 4,7 cm 2. pipa PVC ukuran ¾ dan pipa alumunium 3. konektor BNC dan timah (tenol) Sedangkan peralatan yang digunakan dalam pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal yaitu: 1. bor dan mata bor 2. mistar, jangka sorong dan penyiku 3. gunting cutter dan gergaji 4. solder, dll Untuk langkah pembuatan antena Quadrifilar Helicoidal adalah sebagai berikut 1. Membuat kerangka antena Quadrifilar Helicoidal dari pipa PVC dan alumunium sesuai dengan ukuran yang telah di perhitungkan. Gambar 3.4 Kerangka Quadrifilar Helicoidal 8

9 2. Membuat smaller loop pada Quadrifilar Helicoidal dengan menggunakan kabel koaksial sesuai dengan ukuran yang ada dalam perhitungan. Kemudian membentuk ujung-ujung nya seperti pada gambar melilitkan smaller loop pada tiang penyangga setengah putaran dari atas ke bawah. 4. membuat larger loop Quadrifilar Helicoidal dengan menggunakan kabel koaksialsesuai dengan ukuran yang ada dalam perhitungan, kemudian memotong menjadi dua bagian yang sama panjang. Pada salah satu bagian, ujung2 nya di bentuk seperti pada gambar 3.3 kemudian masing, masing dililitkan pada tiang penyangga setengah putaran dari atas ke bawah. 5. pada bagian atas antena atau feed point, filar-filar tersebut di hubungkan sesuai pada gambar pada bagian bawah antena, filar-filar tersebut dihubungkan sesuai pada gambar 3.2 Adapun konstruksi antena Quadrifilar Helicoidal adalah seperti gambar berikut IV. PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Antena quadrifilar helicoidal setelah selesai di buat, maka perlu dilakukan pengujian dan analisa untuk membuktikan bahwa konsep-konsep perancangan telah di terapkan dan antena dapat berfungsi seperti yang diharapkan. Pengujian tersebut meliputi parameterparameter yang telah di tentukan yaitu Frekuensi kerja, Pola radiasi dan VSWR. Selain dilakukan pengujian parameter teknis tersebut, juga dilakukan pengujian dengan menggunakan pesawat televisi. Pengujian dilakukan tidak hanya pada antena hasil perancangan, namun juga jenis antena lain yang beredar dipasaran sebagai perbandingan, yaitu PF-80 dan antena doraemon. Pengujian ini dilakukan dengan metode polling (menanyakan pada responden mengenai kualitas gambar dan suara pada siaran televisi) terhadap ketiga antena tersebut 4.1. Pengujian dan Analisa Frekuensi Pengujian dan analisa frekuensi ini bertujuan untuk mengetahui frekuensi resonansi (frekuensi kerja) dan lebar pita frekuensi dari antena uji. Dalam pengujian ini menggunakan alat ukur Signal Generator Hewlett Packard 8656B yang merupakan perangkat pemancar, Modulation Analyzer Hewlett Packard 8901A yang merupakan perangkat penerimaan sinyal, antena referensi (antena V), dan konektor secukupnya. Adapun konfigurasi pengujian adalah seperti pada Gambar A Modulation Analyzer HEWLETT PACKARD Antena Antena 8656B Signal Generator HEWLETT PACKARD Gambar 4.1 Konfigurasi Pengujian Frekuensi Gambar 3.5 Antena Quadrifilar Helicoidal tampak dari atas Gambar 3.6 Antena Quadrifilar Helicoidal tampak dari samping Apabila antena quadrifilar helicoidal akan diuji sebagai pemancar, maka antena quadrifilar helicoidal dihubungkan pada Signal Generator 8656B dan antena V di hubungkan pada Modulation Analyzer 8901A. Sebaliknya jika antena quadrifilar helicoidal akan diuji sebagai penerima maka antena quadrifilar helicoidal dihubungkaan pada Modulation Analyzer 8901A yang akan mendeteksi level daya yang diterima dan sebagai pemancarnya adalah antena V yang dihubungkan pada Signal Generator 8656B. Demikian pula untuk pengujian frekuensi dari antena jenis yang lainnya dilakukan dengan cara yang sama. Sebelum melakukan pengukuran, pada Signal Generator diatur frekuensi dan daya sinyal yang akan dibangkitkan. Untuk frekuensinya diatur dari 200 MHz sampai 900 MHz dengan daya sinyal sebesar 13dBm (daya maksimal yang dapat dibangkitkan pada Signal Generator 8656B). Pengukuran frekuensi dilakukan dimulai dari 200 MHz, dengan kelipatan 10 MHz, kemudian dicatat daya sinyal yang dapat diterima oleh Modulation Analyzer 8901A sampai pada frekuensi 900 MHz dan selanjutnya dapat dibuat grafiknya. Setelah dilakukan pengujian untuk konfigurasi sebagai pemancar dan penerima dari masing-masing jenis antena didapat hasil sebagai berikut : 9

10 4.1.1 Antena Quadrifilar Helicoidal a. Sebagai Pemancar Antena Doraemon a. Sebagai Pemancar Pengukuran Frekuensi Doraemon Sebagai Pemancar DAYA (m Watt) DAYA (m Watt) DAYA (m Watt) DAYA (m Watt) Pengukuran Frekuensi Quadrifilar Helicoidal Sebagai Pemancar Pengukuran Frekuensi Quadrifilar Helicoidal sebagai Penerima Pengukuran Frekuensi PF-80 Sebagai Pemancar FREKUENSI (MHz) Gambar 4.2 Grafik Pengujian Frekuensi Antena Quadrifilar Helicoidal Sebagai Pemancar b. Sebagai Penerima FREKUENSI (MHz) Gambar 4.3 Grafik Pengujian Frekuensi Antena Quadrifilar Helicoidal Sebagai Penerima Antena PF-80 a. Sebagai Pemancar FREKUENSI (MHz) Gambar 4.4 Grafik Pengujian Frekuensi Antena PF-80 Sebagai Pemancar b. Sebagai Penerima Pengukuran Frekuensi PF-80 Sebagai Penerima FREKUENSI (MHz) Gambar 4.5 Grafik Pengujian Frekuensi Antena PF-80 Sebagai Penerima DAYA (m Watt) DAYA (m Watt) FREKUENSI (MHz) Gambar 4.6 Grafik Pengujian Frekuensi Antena Doraemon Sebagai Pemancar b. Sebagai Penerima Pengukuran Frekuensi Doraemon Sebagai Penerima FREKUENSI (MHz) Gambar 4.7 Grafik Pengujian Frekuensi Antena Doraemon Sebagai Penerima Berdasarkan data hasil pengujian tersebut dapat dilihat bahwa antena quadrifilar helicoidal, antena PF-80 dan antena doraemon dapat memancarkan dan menerima sinyal dengan baik. Antena quadrifilar helicoidal memancarkan dan menerima signal pada rentang frekuensi 300 MHz sampai 800 MHz, sedangkan antena PF-80 dan antena doraemon menerima dan memancarkan sinyal pada rentang frekuensi 300 MHz sampai 700 MHz. Frekuensi resonansi yang paling baik dimiliki oleh antena PF-80, yaitu tepat pada 550 MHz, antena doraemon memiliki frekuensi resonansi 400MHz, sedangkan untuk antena quadrifilar helicoidal memiliki frekuensi resonansi 540 MHz sehingga kurang sesuai dengan yang diharapkan. Namun hal tersebut bukan merupakan masalah yang signifikan. Sebab frekuensi resonansi antena quadrifilar helicoidal hanya bergeser 10 MHz dari yang di harapkan (550 MHz) dan masih masuk dalam rentang band frekuensi UHF Televisi. Bergesernya frekuensi resonansi antena quadrifilar helicoidal disebakan oleh kurang akurat nya dalam merealisasi panjang perimeter saat rancang bangun. Pada pengujian frekuensi resonansi, antena yang memiliki frekuensi resonaansi yang terbaik dimiliki oleh antena PF- 80, kemudian antena quadrifilar helicoidal dan yang terakhir adalah antena Doraaemon. 10

11 4.2. Pengujian dan Analisa Pola Radiasi Pengujian dan analisa pola radiasi ini bertujuan untuk mengetahui pola pancaran radiasi dari masing-masing antena. Dengan mengetahui polaradiasi nya dapat di tentukan jenis antena berdasarkan pola raadiasinya yaitu directional (memiliki arah) dan omnidirectional (tidak memiliki arah / memancar ke segala arah). Dalam pengujian ini menggunakan alat ukur Signal Generator Hewlett Packard 8656B yang merupakan perangkat pemancar, Modulation Analyzer Hewlett Packard 8901A yang merupakan perangkat penerimaan sinyal, antena referensi (antena V), dan konektor secukupnya. Adapun konfigurasi pengujian adalah seperti pada Gambar Pola Radiasi Antena PF-80 Gambar 4.10 Pola Radiasi antena PF-80 Gambar 4.8 Konfigurasi Pengujian Pola Radiasi 3. Pola Radiasi Antena Doraemon Antena yang akan di uji dapat di fungsikan sebagai pemancar maupun penerima. Namun pada pengujian ini antena uji difungsikan sebagai penerima, sehingga antena uji dihubungkaan pada Modulation Analyzer dan antena V yang berfungsi sebagai pemancar dihubungkan pada Signal Generaor. Sebelumnya Signal Generator diatur hanya pada frekuensi resonansi antena uji yang memiliki daya sinyal tinggi. Untuk mendapatkaan pola radiasi, antena uji diputar 360 dengan setiap 10 dicatat level sinyal yang diterima oleh Modulation Analyzer, kemudian dengan data tersebut dibuat pola radiasinya menggunakan program MATLAB Pola Radiasi Antena Quadrifilar Helicoidal Gambar 4.11 Pola Radiasi antena Doraemon Pada pengujian pola radiasi, antena quadrifilar helicoidal memiliki pola yang berbentuk relatif lingkaran. Pola tersebut menunjukan bahwa antena uji merupakan jenis antena omnidirectional. Pada semua antena omnidirectional memiliki pola radiasi yang relatif lingkaran oleh karena itu untuk menganalisa pola radiasi tersebut, dilakukan pengamatan pola di sisi horisontal antena nya. Tabel 4.10 Hasil Pengujian Pola Radiasi Horisontal Antena Quadrifilar Helicoidal Gambar 4.9 Pola Radiasi antena Quadriflar Helicoidal 11

12 1. Qudrifilar Helicoidal VSW R Pengukuran VSWR Quadrifilar Helicoidal Frekuensi (MHz) Gambar 4.14 Grafik Pengujian VSWR Antena Quadrifilar Helicoidal 2. PF-80 Gambar 4.12 Pola Radiasi Horisontal Antena Quadrifilar Helicoidal Pengukuran VSWR PF Hasil tersebut sesuai dengan leteratur yang digunakan, walaupun pola nya tampak kasar. Sebab dalam pengujian dilakukan secara manual dan pendataan hasil pengukuran dilakukan tiap kelipataan 10. Pada pengujian pola radiasi aantena PF-80 dan doraemon, terdapat raadiasi sinyal yang lebih kuat di bagiaan tertentu dan lebih lemah di bagian tertentu, berdasarkaan polanya, antena jenis ini dapat di golongkan sebagai aantena yang memiliki arah atau directional Gambar 4.15 Grafik Pengujian VSWR Antena PF Pengujian dan Analisa VSWR Pengujian dan analisa VSWR bertujuan untuk mengetahui besarnya nilai VSWR dari masing-masing antena uji. Dalam pengujian ini menggunakan alat ukur Signal Generator Hewlett Packard 8656B sebagaai pembaangkit sinyal, SWR Meter SX-1000, dan konektor secukupnya. Adapun konfigurasi pengujian adalah seperti pada Gambar Doraemon Pengukuran VSWR Doraemon Gambar 4.16 Grafik Pengujian VSWR Antena Doraemon Gambar 4.13 Konfigurasi Pengujian VSWR Pada pengujian ini sebelumnya Signal Generator di atur pada frekuensi 300 MHz yang merupakan frekuensi aawal pengukuran sampai 800 MHz dan daya pancar nya diatur 13 dbm. Frekuensi dinaikan dengan kelipataan 10 MHz dan dicatat hasilnya kemudian dibuat grafiknya. Berdasarkan hasil pengujian tersebut terlihat bahwa masing-masing antena memiliki penyepadan impedansi yang baik. Sebab bila antena memiliki nilai VSWR lebih kecil dari 1.25 pada frekuensi resonansi maka dapat dikatakan antena tersebut memiliki penyepadan impedansi yang baik. Pada pengujian ini antena quadrifilar helicoidal memiliki nilai VSWR yang pling baik, ini dapat terjadi sebab aantena tersebut dibuat dengan kabel koaksial 75Ω yang memiliki impedansi sama dengan saluran transmisi yang dipakainya Pengujian dan Analisa dengan Televisi Pada pengujian ini, antena uji di hubungkan langsung dengan televisi. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kualitas masing-masing antena yang di hubungkan pada pesawat televisi. Pengujian ini dilakukan 12

13 dengan metode polling yang dilakukan di wilayah kota semarang. Parameter yang digunakan dalam pengisian polling adalah sebagai berikut Nilai 8 jika: gambar jelas, suara jelas pada semua posisi dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 7 jika: gambar jelas, suara jelas, hanya pada posisi tertentu dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 6 jika: gambar jelas, suara kurang jelas pada semua posisi dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 5 jika: gambar jelas, suara kurang jelas pada posisi tertentu dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 4 jika: gambar kurang jelas, suara jelas pada semua posisi dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 3 jika: gambar kurang jelas, suara jelas pada posisi tertentu dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 2 jika: gambar kurang jelas, suara kurang jelas pada semua posisi dengan memutar antena 360 derajat. Nilai 1 jika: gambar kurang jelas, suara kurang jelas pada posisi tertentu dengan memutar antena 360 derajat Berikut ini hasil dari polling yang dilakukan di wilayah kota semarang pada antena uji Antena quadrifilar helicoidal beresonansi pada frekuensi 540 MHz, antena doraemon beresonansi pada frekuensi 400 MHz dan antena PF beresonansi tepat pada frekuensi 550 MHz. Antena quadrifilar helicoidal merupakan antena omni directional sedangkan aantena PF-80 dan doraemon merupakan antena directional Pola radiasi antena quadrifilar helicoidal pada posisi antena dipasang vertikal berbentuk relatif lingkaran dan bila dipasang horisontal berbentuk hampir setengah lingkaran. Nilai VSWR untuk semua antena uji sudah baik, karena lebih kecil dari 1,25. Antena quadrifilar helicoidal memiliki nilai VSWR yang paling baik. Antena quadrifilar helicoidal dapat menerima sinyal dengan baik di sekeliling nya sedangkan antena PF-80 dan Doraemon hanya pada posisi tertentu saja dapat menerima sinyal dengan baik 5.2 Saran Adapun saran untuk penelitian rancang bangun antena lebih lanjut adalah sebagai berikut : 1. Dalam perancangan dan pembuatan antena hendaklah seakurat mungkin, baik nilai parameter yang akan digunakan maupun peralatan yang digunakan. 2. Dalam pengujian, skala untuk hasil pengujian dapat diperkecil untuk memperoleh hasil yang akurat. Misalnya, untuk pola radiasi gunakan skala pengujiannya sebesar 5 dan akan lebih baik lagi jika pengujian nya secara automatic, bukan manual. 3. Pengujian antena yang akurat sebaiknya dilakukan di lab khusus antena, sehingga tidak terpengaruh oleh sinyal-sinyal yang ada di sekitarnya maupun efek pantulan. 4. Dapat di kembangkan untuk rancang bangun antena jenis lainnya, selain antena quadrifilar helicoidal dan antena yang sudah beredar di pasar DAFTAR PUSTAKA [1] Gambar 4.16 Grafik Pengujian VSWR Antena Doraemon [2] [3] Bila dilihat dari hasil polling diatas maka antena quadrifilar helicoidal dapat menerima sinyal dengan baik di dalam kota semarang. Antena PF-80 dan doraemon dapat menerima sinyal dengan baik di wilayah kota semarang namun perlu diarahkan kearah yang tepat sebab hanya pada sisi tertentu saja antena tersebut dapat menerima sinyal dengan baik V. 5.1 PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian yang didapatkan hal-hal penting sebagai berikut : 1. dilakukan Antena quadrifilar dapat di gunakan sebagai antena penerima siaran televisi di kota semarang. 13 [4] [5] [6] Balanis, Constantine, Antenna Theory, John Wiley and Sons Inc., Kanada, Budi Basuki Subagio, Antena dan Propagasi, Politeknik Negeri Semarang, Semarang, Greg O Neill, GPS Antenna Quadrifilar Design for Portable Device, SkyCross, 2005 Kraus, J.D. and Marhefka, R.J., Antennas : for All Applications, 3rd ed., Mc. Graw Hill, New York, RCA, The ARRL Antenna Book,

14 Biodata Penulis Deddy Setiadji (L2F305199) Penulis adalah mahasiswa S1 Teknik Elektro Ekstensi konsentrasi Elektronika Telekomunikasi angkatn 2005 Universitas Diponegoro, saat ini sedang menyelesaikan Tugas Akhir dan sebagai RF Engineer 2G GSM pada HCPT project west Java area. Menyetujui dan Mengesahkan Pembimbing I Agung Budi P., S.T., M.I.T. NIP Tanggal:... Pembimbing II Yuli Christiyono, S.T., M.T. NIP Tanggal:... Tanggal:... 14